Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Значение йорогового тока накачки (А) определяется через плотность тока / и площадь з поверхности активного слоя кристалла: опор = !поре~ где /„р = (!)я + 1п (1/г)/(б„р)) А/см' — пороговая плотность то- ка; (/„= (/о — йог/е — среднее значение напряжения на р — и переходе.
Например, при 1, = 2 10' см — ', ЛЕ 1,5 эВ, р, = З,З Х х 10 ' эВ (/р„= 25,5 В. К. п. д. ийжекционного лазерного диода По = Ро„,/(г7/) Ро.„/(17/о+ /гй), где Й вЂ” сопротивление, включенное последовательно р — и перехо- ду, Ом. 1ЗЬ Дифференциальная эффективность [24) Пх э = д'-*/д(1(/") /- й /с(/,./Фх, Е, г) ). - 0,7...0,6.
ции, ' Коэффициент усиления, необходимый для поддерж н ржания генера- Поор — — ~ +! П (1/г)/Е где р — внутренние потери в резонаторе, состоящие из потерь на ас сеяние и дифракционных потерь [см. (5.11)): [) =1 ° +1;ф. при 300 К. В гомоструктурах р = 5 1О см-' п и 77 К Р при и Р 50...100 см ' Максимальное значение коэффициента усиления в и к ральной полосы усиления [24) усиления в пике спект- 6„»х = / (пайасзЧа/[пасу» (йв)' (Ав,) 1 ) причем при Т = 300 К О.,„=Е / бв где Ч, ! — внутренний квантовь!й выход (отношени ченных фотонов к числ актов ошение числа излулу актов рекомбинации в единицу времени); у, = при = 0 К вЂ” температурный коэффициент, кото ым чи- тйвают степень вырождения носите "; А тральной полосы люминесценции; д 1 — е лей заряда; в — ши ина сильном легировании при Т = 0 К. Значение коэффициейта дифракционных потерь [20) ра„э 0,351 '* [Ла/(п1о)) '. Спектральные и пространственные ха кте частота спонтанного излучения характеристики.
Вероятная во = ((/а — [/»ч) е/(йаа), или в, = сс/(2пЕ), где а=1,6 10" — 1,6 10 Кл — заряд электрона; и = 3,6 — показ преломления для баАз при Т = 300 К; ская проницаемость возд ха — ел аа = 1 0059 — иэ мод). духа; с) — целое число (индекс продольных Частота вынужденного излучения то = (/1Е + Е, + Е,)/й ж с/пс/(пЕ), — — ширина запрещенной зоны (при Т = 300 К).
где АЕ = 1,5 э — ш , Е р д рок, участвуюзцих в генерации ń— энергия элект онов и ы Длина волны излучения Л, = с/тв где с = 2 9979 10"— с =, — скоРасстояние межд жду соседними продольными типами колебаний ЛЛ« = Л,'/(2й/,Д, где Л/ з = и — Л, (дп/дЛ) — -'фек ) — ~~~активный показатель преломления и — градиент показателя преломления. 186 Максимальная частота следования импульсов, на которой может работать полупроводниковый лазер, Тзатс„/(йт„п„т ), где Я вЂ” сопротивление лазерного диода, Ом; Т вЂ” температура теплопровода, К; т, — тепловая постоянная. Рассчитанный лазер может работать при комнатной температуре в квазинепрерывном режиме. Расходимость излучения инжекционного полупроводникового лазера оценивается приближенно так: у = Л,/1,; ух = Хо/«(. Поскольку активная область р — п перехода имеет пластиноподобную форму, для определения расходимости излучения важны два размера — ширина и толщина р — и перехода (с(, 1,).
Пример. Известны: материал проектируемого лазера (Пай»); напряжение, подаваемое на кристалл (Уе = 27 В), и длина резонатора (Е = 10 мкм), Рассчитать лазер, работающий при Т 300 ~ 50 К; л = 3,6. Пользуясь формулами и рекомендациями изложенной методики расчета, находим толщину активного слоя 1 =! мкм. Площадь поверхности р — и перехода з = = 3 . !О а см*; ширина перехода и' = 3 10 З см; коэффициент усиления бе = = 1,16 ° 10« см 1.
Пороговая плотность тока!'„„ = !8,2 10' А/сма, ширина запрещенной зоны оЕ = 1,5 эВ, (/р„— - 25,5 В. Эффективный коэффициент отражения« = = 0,63; внутренние потери [) = 23 1О~ см з; концентрация электронов н дырок А!» = 2,79 . 1О'а см з, Ра = 2,64 10м см з; диффеРенциальнаЯ зффективностьядае= = 0,35; к. п. д. Тм 0,6; импульсная мощность выходного излучения Р,„„16,2 Вт; энергия электронов и дырок Е» = 6,38 эВ, Ед = 1,02 эВ; длина волны Ле —— 0,88 мкм; расходимость т = !', т = 10'; частота генерации /,„14 кГц (см. рис.
9.8, 6). Итак, наиболее крупным успехом полупроводниковой квантовой электроники за последние годы является разработка лазерных гетеро- структур. Применение гетеропереходов позволило на два порядка снизить пороговую плотность тока инжекции при комнатной температуре, получить непрерывную генерацию и увеличить к. п.
д. инжекционных лазеров. Глава 1О. КОЛЬЦЕВЫЕ ЛАЗЕРЫ 10.1. ЭФфект Сакьяка и кольцевой иктерферометр-резонатор Регистрация фазового сдвига в кольцевом интерферометре основана на явлении интерференции, возникающей при суммировании встречных световых лучей. Впервые в !904 г, это явление было использовано А. Майкельсоном в опытах при изучении гипотезы «эфира». В первых опытах А. Майкельсон применил систему зеркал, расположенных по углам прямоугольного четырехзеркального интерферометра. При вращении интерферометра вокруг оси, перпендикулярной к плоскости движения лучей, лучу, идусцему в направлении вращения, требовалось больше времени для прохода кольцевого резонатора, чем лучу, идущему против направления вращения. Это объясняется неодинаковой длиной оптического пути, проходимого 187 обоими лучами, и на экране в этом случае должно наблю т щение инте фе ен ио рф р ционной картины, причем смещение интерферен даться смеонных полос олжио еренцищения инте е д ио быть пропорционально угловой скорости рф рометра.
Из-за небольшой скорости вращения Земли при горизонтальном расположении интерферометра иа широте 40' сдвиг по расчетам составляет всего 10 ' длины волны. А. М " ы.. айкель- -'""ект зарегистрировать невозможно, несмотря на сравнительно большие размеры зеркальной установки (613»с 395,5 м), для проверки гипотезы ньютоновского светоносного «эфира» были проделаны в 19!3 г. французским физиком аньяком. Он т ус ановил четыре зеркала и источник света на вращающейся платформе (рис.
10.!) и рассмотрел распространение света по контуру кольцевого интерферометра, имеющего оптические р р пространения электромагнитной волны в одном эленаправлении, допустим по ходу вращения платфо мы, М. С принял равной с + о, г + о, где и — мгновенная линейная скорость вращения платформы. При противоположном направлении движения скорость распространения изл чения у я равна с — о. Тогда разности оптического хода излучений на некото ом, п ке (см.
рис. 10.!) р м, роизвольно взятом участке контура в точ- где 61 2оЫс' — в еме с)) о. — р иная разность хода встречных излучений при Учтя, что лине" чтя, что линейная скорость о = Фб (1), а площадь Ь = !(1., получим (при с)) о) с () е аз« 28 где 1, — длина кольцевого интерферометра; !« — радиус вращения элементарного участка контура; ь! (1) — возмущение в виде угловой Ркс.!О.!.
Схема установки Сан»яка: б — кеточнкк; 2 — зеркала; б — пол и оз ач у р зрачнак плеетннкз; б — фотоэлемент; б — нн 188 скорости вращения кольцевого интерферометра, который в принципе может быть и резонатором кольцевого лазера. Так как оптическая длина пути встречных излучений будет различной: ~ + 6Л и б'.
— 6»', то частоты этих излучений также различны и отличаются от резонансной частоты р„т. е. б С у =з1; у !+бб ' в !.— б! (10.1) На фотоприемнике выделится разностная частота, определяемая при уо = е!с/1, и ~» )) (И,)» зависимостью т. е. г = К,„сь1 (1), где К„а= 4Я/(Хо«',) — масштабный коэффициент коль1ъ цевого иитерферометра. гр — это частота ' биений, получаемая в результате смешения двух встречных излучений оптического диапазона длин волн, пропорциональная входному воздействию ьб (1).
Описанное явление было открыто М. Саньяком и получило название «вихревой эффект». М. Саньяк на основании своих опытов сделал важные выводы: получаемый сдвиг интерференционной картины в результате сложения направленных навстречу друг другу излучений от источника, размещенного иа вращающемся основании, пропорционален угловой скорости вращения этого основания. Кольцевой интерферометр можно применять для точного измерения малых угловых скоростей вращения.
Светоносная же среда «эфир»„ несмотря на многочисленные тончайшие эксперименты, ие была обнаружена ни А, Майкельсоном, ни М. Саньяком, ни многочисленными их последователями. »0.2. Кольцевой лазер и его основные характеристики Очевидно, ксльпевым лазером будет квантовый прибор с кольцевым активным резонатором, в котором излучения распространяются навстречу другдругу и выводятся иа интерференциоияый оптический смеситель, на выходе которого образуется сигнал разностной частоты интерферирующих встречных волн. Большие размеры рассмотренной выше установки являлись основным препятствием для применения на практике метода измерения угловых скоростей вращающихся объектов. Однако такое положение было сравнительно недолгим.
Первый экспериментальный образец кольцевого лазера появился уже в 1962 г. и представлял собой четыре гелий-неоновых лазера, расположенных по сторонам квадрата !6, 23, 25). В каждом из четырех углов квадрата находились зеркала, установленные под углом 45' к оптической оси лазера так, что луч света, выходящий из одного лазера, отражался от зеркала и попадал на соседний. Световая энергия излучалась с обоих концов съюстированных разрядных трубок; поэтому в системе возникали два световых луча, движу!цихся по кольцу в противоположных направлениях.
Часть энергии обоих лучей выводилась из системы посредством полу- 189 1.1,2 = ~(1+ е) ((1., (10.4» б/. = 2ьл(1) з/с, (10.5) шт = шв + () (01 шв = (оо () (1)г шо = 2пув = 2пс/)ьо (!0.3) где (91 190 Рнс. 1Одк Основные оптические схемы кольцевого резонатора: л — четырехверкэльиого с ективной средой; и — треугольного беэ ективной среды в основном контуре; и иэссивиого свегэволокоииого; э — лэссивиого ивтегрэльно.оотического () иодложкэ: т волиовод;  — вэлрээлеиимй ответвнтель; )И ф — эффективный иокэвэтель ореломления волиоводэ; л, иокевэтель иреломлеиия иодложки( и диэметр; Вев — коэффиииент волноводиой связи; Рвх, Рвых — мощности входного и выходного оптических сигиэлов); д — четырехириэмеииого; э — диффереиииэльиого сэяэвииого 1) — веркэло (ориэмэ); à — кювет с ективной средой; 3 — выходное эеркэло; С вЂ” элемент связи) и — элемент рээиосэ частот (вевээимиый элемеитп Π— угол ведения фрОнта валим! !(л — оптическая длин э1 прозрачного зеркала и подавалась на регистрирующий приемник излучения — фотоумножитель.
Частоты генерируемых колебаний определялись неснолькими факторами, в частности собственными резонансными частотами кольцевого оптического резонатора. Если кольцевой резонатор вращается вокруг оси, перпендикулярной к его плоскости, то пути, как мы уже видели, которые должны в нем пройти две встречные волны, чтобы попасть в точку активной среды, откуда они вышли, будут различны. Разность путей 61. пропорциональна скорости вращения резонатора. Действительно, если кольцевому резонатору, основные схемы которого показаны на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
