Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 41
Текст из файла (страница 41)
рис. 9.5, а): 1 (О) з!и' Киша) 01 сл Ширину р — и перехода с( можно оценить по угловому раствору главного лепестка (9.8) Й 2Лоlг(. (9 9) х(ля лазерных диодов на арсениде галлия (! 30'. Это соответствует ширине активного слоя с( ж 4 мкм. Расходимость лазерного луча в плоскости р — и перехода на порядок меньше, поскольку она близка к дифракционной расходимости. Где бы не распространялось излучение (либо в активной среде с показателем преломления и, либо в вакууме), оно как бы расплывается в пространстве.
И на некотором расстоянии у любого вначале параллельного пучка появляется дифракционная расходимость, определяемая углом 'уа,нь ем 1,22Ло/(пс(„), (9.10) где с(, — диаметр сечения пучка излучения, 174 Толщина активного слоя (о = '(лРт соизмерима с расстоянием, на которое диффундируют электроны, инжектированные в р.область, до момента рекомбинации (здесь Р— коэффициент диффузии, т— время жизни электрона в возбужденном состоянии). При Р 10 смзlс, т =!0 ас величина ) Ът — 1 мкм. Таким образом, в гомоструктурном инжекционном лазере размеры активного рекомбинационного слоя ((, 1 мкм) много меньше ширины моды электромагнитного поля в том же направлении (рис. 9.5, б). Это обстоятельство существенно влияет на пороговый ток и мошность полупроводникового лазера: Р— т((1г)Р(р(( ле (9.1 1) оп где (у „— напряжение на Р— п переходе; Ч, — внешний квантовый выход; г, — коэффициент отражения полупрозрачной грани кристалла; Р, — электрическая мощность инжекции р — и перехода; 1„, — пороговый ток инжекции носителей заряда.
Отличительной особенностью инжекционных полупроводниковых лазеров является высокий по сравнению с другими активными средами (газами, конденсированными средами) коэффициент усиления 6 (о), Полная населенность энергетических уровней также велика. В результате этого можно создавать лазеры очень малых размеров (10...100 мкм) и получать от них большую мощность. Выходная мошность лазера в непрерывном режиме зависит от температуры кристалла. Повышение температуры приводит к срыву генерации.
Количественной величиной, определяющей к. п. д. лазера, является квантовый выход. Необходимо различать внутренний квантовый выход количество фотонов, излучеииых за 1 с в р — и переходе Чав количество актов рекомбинации пар в ! с и внешний квантовый выход количество фотонов, выходящих из полупроводникового лазера за 1 с Чн количество актов рекомбинации пар в 1 с Практически из-за потерь энергии электронов Е, и дырок Ед в кРисталле Чв ( Ч,: и,— игн Ч,= — — е, о — н р Обычно в непрерывном режиме даже при комнатной температуре мощность составляет единицы или десятки мнлливатт, а к.
п. д.— несколько процентов: Ч =Р н«Р +('Р)=Ч.Ж:(((.) (9.12) где от„, Р„(„(уо — частота и мошность накачки; )с — сопротивление, включенное последовательно Р— и переходу. Наиболее высокий к. п. д. (50...80 %) могут иметь инжекционные лазеры. От лазеров с электронным возбуждением можно получить к, и. д. 20...30 %. Наибольшую мощность (порядка киловатт) получают в импульсном режиме генерации. В этом случае основным !75 В 7 В 7 б рис З З Схемы конструкции ии жекциониого полупроводникового лазера (о) и матрицы лазерных диодов (б): 1,  — полупроводники и. и Л-типовз У р — л переход; 4 омнческна контакт; Б теплопроводящая плате; б — полусферическая лунка для ионцентрацин ивлучеиняз 1 металлнви. резанная подложка; В полоска баАз- А! ба1 «Аз; В медная полоска; 1 — метвллнвацня: 11 отражающее покрьпне фактором, ограничивающим мощность, является разрушение зеркал резонатора.
Эю разрушение происходит обычно при достижении некоторой критической удельной мощности, которая для эпитаксиальных р — и переходов в баАз составляет в расчете на единицу ширины диода около 8 ° 104 Вт/м. При работе вблизи критического значения выходной мощности срок службы лазера резко сокращается — это так называемое явление катастрофической деградации. Если же работать при оптимальных режимах накачки, то срок службы лазера составляет тысячи часов.
Вкратце опишем конструкцию инжекционного лазера. Активной средой его является кристалл баАз а-типа / и р-типа 3 серого цвета, кубической формы (рис. 9.6, а). В арсениде галлия р — а переход 2 обычно создается путем диффузии акцепториых примесей (Еп или Сг(, Мп, Ха, Сп) в материал, легированный донорными примесями (обычно Те или Зе). Полупроводник и-типа легирует Те до концентрации (1...2) 10" см — '.
Глубина залегания перехода составляет 2...100 мкм в зависимости „от времени и температуры диффуаионного отжига. Этот переход расположен примерно посредине между гранями, к которым подводится электрическое напряжение. Области р и и имеют концентрации, при которых состояния электронов и дырок близки к вырождению (10тв см-'). Чтобы обеспечить'хороший контакт с п-областью, кристалл баАз'припаивается к молибденовой плате 5, покрытой слоем золота. На поверхность р-области нанесен сплав золота с серебром. Подвод тока и отвод тепла от кристалла обеспечиваются специальным устройством— кристаллодержателем 4, й.
Две боковые грани кристалла параллельны и представляют собой отражатели оптического резонатора, длина которого составляет Л вЂ” 10...200 мкм. Засчетбольшого показателя преломления и = 2,4... 3,6 для диапазона длин волн Ае — 2,9...0,8 мкм получается значительный (20...40 %) коэффициент отражения на границе кристалл— воздух. Полированные грани, образующие оптический резонатор, обеспечивают положительную обратную связь, необходимую для генерации излучения.
Если уменьшить коэффициент отражения путем нанесения на поверхность граней четвертьволиовых диэлектрических покрытий, то кристалл будет работать как активный элемент усилителя вынужденного излучения. Резонаторы по отношению к активному веществу могут быть с внутренними и внешними зеркалами (см. рис.
9.3). Накачка осуществляется либо постоянным, либо импульсным током длительностью от нескольких микросекунд до нескольких десят ятых долей микросекунды. Частота повторения импульсов может составлять сотни килогерц. Когда сила юка достигает примерно (при 77 К), происходит резкое увеличение интенсивности излучения. П и Т = 4,2 К такое увеличение будет при токе 6 А.
Соответственно плотности тока составляют порядка 10' А/см' (Т = 77 К) и 600 А/см' Д фракционные свойства излучения таковы, что излучающую ифр точнигрань лазера можно рассматривать как щель, являющуюся источ иком когерентного излучения. Расходимость пучка излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях равна ссютветственно 6 и 1'. Эти значения очень близки к дифракционным пределам, если принять толщину р — и перехода около 20 мкм, а ширину — около 0,1 мм. Фактический размер активной области в вертикальном направлении равен примерно 1 мкм, а эффективная ширина излучающей области составляет около 1О мкм. Другие характеристики лазера также сильно зависят от температуры.
Так, при изменении температуры от 4,2 до 125 К сила порогового тока увеличивается в 25 раз. При более высоких температурах изменение плотности тока пропорционально Т'. При комнатных температурах плотность порогового тока достигает 10' А/см'. Значения плотности порогового тока зависят от степени легирования полупроводника. Изменение температуры активной среды приводит также к изменению спектра излучения. Оно связано с зависимостью показателя преломления от температуры, что приводит к изменению собственных мод резонатора и расстояния между ними. Например, при 0,84 мкм Л)с = Ан/(2л/) — 10 ' мкм.
Приведем еще некоторые е характеристики инжекциониого лазера. Площадь излучающей поверхности кристалла составляет 0,02 х х О,! мм'. При питании постоянным током и глубоком охлаждении (Т 4 К) такой кристалл непрерывно излучает -12 Вт. Увеличение температуры кристалла приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда в ЗО раз и они проникают в область р — и перехода на глубину !...20 мкм. Предельное значение импульсной мощности определяется стойкостью излучающей поверхности полупроводника к его собственному излучению. Критическая плотность мощности излучения — (4...8) 10' Вт/см'. При температуре кристалла Т = 300 К выходная мощность равна около 60 Вт; частота генерации — около 1 кГц, длительность импульса — около 100...200 нс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
