Характеристики излучения полупроводниковых лазеров
После достижения порога возбуждения лазера на p-n-переходе (резонатор такого лазера может, например, иметь форму прямоугольного параллелепипеда) наблюдается излучение на нескольких модах, каждая из которых характеризуется спектральной шириной порядка 25 МГц (при низких температурах). По мере возрастания мощности излучения ширина спектра уменьшается до 150 кГц. Модовая структура излучения, очевидно, зависит от типа оптического резонатора. Расходимость светового пучка 
ввиду небольших размеров резонатора определяется в общем случае дифракцией:
где 
– апертура резонатора.
Для 
= 0,84 мкм и апертуры 11 ´ 23 мкм получаем расходимости 5 и 2,5° в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Разница частот между продольными модами значительно меньше, чем следует
из основного выражения, определяющего резонансные частоты:
где 
- целое число, 
- показатель преломления.
Это обусловлено сильной зависимостью показателя преломления от частоты. Типичный лазер на арсениде галлия (GaAs) может работать как при очень низких температурах (в импульсном и непрерывном режимах), так и при комнатной температуре (в импульсном режиме). Усиление в лазере на GaAs может достигать значения порядка 1000 при силе тока в несколько ампер.
КПД полупроводникового лазера значительно выше, чем у типичных рубиновых или гелий-неоновых лазеров. Особенно высоким КПД обладают полупроводниковые лазеры, работающие при низких температурах.
|
|
|
Таблица 1. Рабочие характеристики некоторых полупроводниковых лазеров.
| Полупроводник | Длина волны излучения, мкм | Максимальная рабочая температура, К | Способ накачки |
| ZnS | 0,32 | 77 | Электронным пучком |
| ZnO | 0,37 | 77 | Электронным пучком |
| Zn1-xCdxS | 0,32 – 0,49 | 77 | Электронным пучком |
| ZnSe | 0,46 | 77 | Электронным пучком |
| CdS | 0,49 – 0,53 | 300 | Электронным пучком, оптическая, пробоем в электрическом поле |
| ZnTe | 0,53 | 77 | Электронным пучком |
| CdS1-xSex | 0,49 – 0,68 | 77 | Электронным пучком, оптическая |
| CdSe | 0,68 – 0,69 | 77 | Электронным пучком, оптическая |
| CdTe | 0,79 | 77 | Электронным пучком |
| GaSe | 0,59 | 77 | Электронным пучком, оптическая |
| GaAs1-xPx | 0,62 – 0,9 | 300 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная |
| AlxGa1-xAs | 0,62 – 0,9 | 300 | Оптическая, инжекционная |
| InxGa1-xP | 0,60 – 0,91 | 77 | Оптическая, инжекционная |
| GaAs | 0,83 – 0,90 | 450 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная, пробоем в электрическом поле |
| InP | 0,90 – 0,91 | 77 | Оптическая, инжекционная, пробоем в электрическом поле |
| InxGa1-xAs | 0,85 – 3,1 | 300 | Оптическая, инжекционная |
| InP1-xAsx | 0,90 – 3,1 | 77 | Оптическая, инжекционная |
| InAs | 3,1 – 3,2 | 77 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная |
| InSb | 5,1 – 5,3 | 100 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная |
| PbS | 3,9 – 4,3 | 100 | Электронным пучком, инжекционная |
| PbS1-xSx | 3,9 – 8,5 | 77 | Оптическая, инжекционная |
| PbTe | 6,4 – 6,5 | 100 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная |
| PbSe | 8,4 – 8,5 | 100 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная |
| PbxSn1-xTe | 6,4 – 31,8 | 100 | Электронным пучком, оптическая, инжекционная |
|
|
|
Современные полупроводниковые лазеры характеризуются высоким КПД, работают в широком спектральном диапазоне (380‒1650 нм) (Рис.6).
|
|
|
Рис. 6. Спектральные характеристики лазерных диодов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов.
Практическая часть
В установку для выполнения практической части работы входят следующие приборы: монохроматор МУМ – 2, фотоприёмник (установлен на выходе монохроматора) с блоком питания, измерительный прибор (тестер), полупроводниковый лазер (ПЛ), светодиод (СД) и He–Ne лазер с блоками питания.
Упражнение 1. Изучение зависимости мощности излучения ПЛ от тока накачки
Установите на монохроматоре значение центральной длины волны ПЛ и щели на входе и выходе 0,25 мм. Закрепите ПЛ на входной щели МУМ – 2,включите его при минимальном токе накачки 5-10 мА и получите показания на измерителе. Изменяя ток накачки с шагом 5 мА в пределах 5-50 мА, получите зависимость мощности излучения от величины питающего тока и постройте соответствующий график.
Упражнение 2. Изучение зависимости спектрального контура ПЛ от тока накачки
Осторожно откройте верхнюю крышку прибора и ознакомьтесь с
устройством малогабаритного монохроматора. Схему зарисуйте и включите в отчёт.
Внимание! Нельзя оставлять монохроматор открытым долгое время и касаться посторонними предметами и руками внутренних частей прибора.
|
|
|
Используя оптическую схему из предыдущего упражнения, снимите спектральную зависимость при следующих токах накачки п/п-го диода: 10, 30 и 50 мА. Для построения кривых получите не менее 12 - 15 экспериментальных точек для каждой спектральной зависимости. Объяснение полученных результатов представьте в отчёте.
Упражнение 3. Измерение угла расходимости ПЛ
Измерьте диаметры пятен излучения п/п лазера на двух различных расстояниях и определите угол расходимости его излучения.
Упражнение 4. Регистрация спектральных контуров светодиода и He – Ne – го лазера
Вначале установите на входе монохроматора светодиод и снимите спектральную характеристику со щелью 0,25 мм.
Уберите СД, включите в сеть He–Ne лазер и получите максимальный сигнал на измерителе. Затем установите на монохроматоре щели 0,05 мм, нейтральный светофильтр НС перед входной щелью и снимите спектральный контур, как можно более плавно поворачивая ручку управления дифракционной решётки. Постарайтесь получить как можно больше экспериментальных точек.
Контрольные вопросы
1. Опишите процесс накачки п/п лазера и получения инверсии.
2. Условие усиления излучения в полупроводнике.
3. Два пути релаксации неравновесных носителей в п/п-ке.
4. Как объяснить резкое сужение контуров излучения ПЛ при увеличении тока накачки?
5. Почему излучение п/п лазера имеет сравнительно большую расходимость?
6. Как видоизменяется спектр диодного лазера с током накачки?
7. Как ток накачки влияет на выходную мощность лазера?
8. Как объяснить большое, по сравнению с реальным, -значение полуширины спектрального контура излучения для He–Ne лазера. Действительная полуширина, измеренная на приборах с высоким разрешением составляет величину порядка 10-2 Ǻ. 
9. Какая из, снятых спектральных зависимостей ближе к истинной своей форме и почему?
Ответы на контрольные вопросы включите в отчёт.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 65; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!