Материал: Sb95840

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

_______________________________________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)

_______________________________________________________________

Е. А. СМИРНОВ А. С. КИСЕЛЕВ

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ “ЛЭТИ”

2017

УДК 621.375.826

ББК З 86-53

С50

Смирнов Е. А., Киселев А. С.

С50 Основы лазерной техники: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 48 с.

ISBN 978-5-7629-2070-4

Содержит описания лабораторных работ по исследованию характеристик, методов и устройств регистрации лазерного излучения, управления параметрами лазеров, используемых в установках лазерной технологии и метрологии.

Предназначено для студентов дневного отделения, обучающихся по образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.375.826

ББК З 86-53

Рецензент д-р техн. наук, вед. науч. сотр. Института проблем машиноведения РАН А. А. Лисенков.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Введение

Лабораторные работы по дисциплине “Основы лазерной техники” выполняются бригадами студентов из 2–3 человек. К выполнению работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по правилам техники безопасности и неукоснительно соблюдающие их.

Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с лабораторной установкой и расположением органов управления и измерительных приборов; дополнительными инструкциями и схемами, прилагаемыми к лабораторной установке. Перед ее включением нужно убедиться в исправности всех заземляющих устройств; проверить наличие и исправность светонепроницаемых экранов и защитных ограждений, защитных диэлектрических средств, защитных блокировок.

Внимание! Лабораторную установку можно включать только с разрешения преподавателя после получения инструктажа на рабочем месте.

Необходимо строго соблюдать меры предосторожности, исключающие возможность попадания прямого или отраженного высокоинтенсивного лазерного излучения на человека.

Выключение лабораторной установки осуществляется с разрешения преподавателя после подписания протокола исследования.

Индивидуальный отчет о лабораторной работе должен включать:

1.Цель и содержание работы.

2.Схему лабораторной установки с пояснением принципа ее работы.

3.Таблицы и графики экспериментальных и расчетных зависимостей, расчетные формулы и примеры вычислений.

4.Обработанные осциллограммы сигналов с указанием масштаба осей координат, картины распределения интенсивности излучения, а также дополнительные данные, оговариваемые в разделах “Порядок выполнения работы”.

5.Выводы, в которых анализируются полученные экспериментальные результаты и причины возможного отличия их от теоретических закономерностей.

Все таблицы и рисунки в отчете должны быть пронумерованы и снабжены необходимыми подписями, поясняющими суть и условия проведенных экспериментов и расчетов. Протоколы испытаний прилагаются к отчету.

3

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЖЕКЦИОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА

Цель работы – ознакомление с принципом действия, устройством и основными характеристиками инжекционного полупроводникового лазера.

Основные положения. В настоящее время из всех типов полупроводниковых лазеров стадии промышленного изготовления и практического использования достигли лишь инжекционные лазеры (ИППЛ), возбуждаемые за счет пропускании электрического тока через p–n-переход лазерного диода. При приложении к p–n-переходу прямого напряжения U потенциальный барьер снижается (компенсируется) на величину eU, тем самым обеспечивается протекание тока. Происходит инжекция неосновных носителей – электронов из n-области в p-область и встречная инжекция дырок. За счет инжекции неосновных носителей в n- и p-областях формируются неравновесные

распределения с соответствующими квазиуровнями Ферми Fe и Fp. Кванты в полупроводнике возникают в результате излучательной рекомбинации электронов с дырками. Область рекомбинации ограничена длиной свободного пробега дырок порядка 10–6 м. Инверсное состояние полупроводника соот-

ветствует условию Fe – Fp > E. Это означает, что на более высоком энергетическом уровне (на “дне” зоны проводимости) оказывается большее число электронов, чем на нижнем уровне (у “потолка” заполненной зоны). В этом случае процессы вынужденного излучения будут преобладать над процессами поглощения и возникнет усиление.

Прикладываемое к p–n-переходу напряжение (смещение) не может быть больше E, поэтому вольт-амперная характеристика (ВАХ) ИППЛ имеет участок насыщения.

В качестве активных сред ИППЛ до недавнего времени использовались полупроводниковые структуры на основе GaAs, GaP, InP. Достижения в области полупроводниковой технологии обеспечили продвижение лазерной генерации в область коротких длин волн. В частности, на основе кристалла нитрида галлия (GaN) были созданы относительно мощные полупроводниковые лазеры, генерирующие в синей области видимого диапазона.

Благодаря прямому преобразованию тока в излучение ИППЛ обладают по сравнению с другими типами лазеров высоким КПД, низким энергопо-

4

треблением и высокими значениями показателя усиления. Непрерывные ИППЛ обеспечивают мощность генерации на уровне долей–единиц ватт и более.

Необходимую длину активной среды L получают сколом по граням кристалла (границам спайности), которые образуют зеркала ИППЛ. Лучевая стойкость граней к собственному излучению определяет предельную мощность генерации P. На грани могут наноситься просветляющие или отражающие покрытия. Когерентное излучение выходит в направлении оси z, перпендикулярной торцу излучающей области p–n-перехода лазерного диода. Толщина области p–n-перехода W составляет 0.2...1 мкм, а ширина D не превышает единиц–десятков микрометров. Для подавления поперечных типов колебаний нерабочие поверхности кристалла могут делаться шероховатыми.

Для уменьшения токовых и оптических потерь в полупроводнике, которые являлись характерными для однородных p–n-переходов, были предложены гетеропереходы: p–n- и p–p- переходы различных полупроводников, отличающихся шириной запрещенной зоны. В ИППЛ на основе гетероструктур благодаря наличию потенциального барьера на гетеропереходе обеспечивается электронное ограничение: локализация электронов в зоне рекомбинации. Наличие скачка показателя преломления на границах материалов, образующих гетероструктуру, формирует в активной области зону, обладающую волноводными свойствами. Благодаря этому обеспечивается так называемое фотонное ограничение.

Энергия индуцированных квантов, генерируемых в процессе инжекционной рекомбинации, определяется в первом приближении шириной запрещенной зоны hν = E, а длина волны, соответствующая максимуму контура усиления,

λmax = hc / E. Значению λmax = 1 мкм соответствует E = 1.24 эВ.

Вероятность инжекционной излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронов ne ~ I/e. Поэтому рост тока накачки I сопровождается увеличением мощности излучения P. Выходная или ватт-амперная характеристика P = f (I) в области рабочих токов ИППЛ (I > Iпор) оказывается близкой к линейной зависимости. Повышение тока накачки усиливает нагрев кристалла. Повышение температуры увеличивает вероятность безызлучательной рекомбинации, что эквивалентно росту потерь. Потери в полупроводнике возрастают

5