Charakteristika laserů

Emisní vlnová délka

Theemisevlnová délka laseru závisí na energii uvolněné při přechodu elektronu z vodivého pásma do valenčního pásma, které je přibližně stejné jako zakázané pásmo E (eV).

hf=E_g--(3.4)

Protože c=f, kde f a λ jsou frekvence a vlnová délka emitovaného světla, c=3 × 10⁻³ m/s, h=6.628 × 10⁻³ J·s a 1 eV=1.60 × 10⁻¹ J, dosazení do rovnice (3):

Protože bandgap souvisí se složením a obsahem polovodičových materiálů, lze na tomto principu vyrábět lasery s různými vlnovými délkami emise.

Prahové charakteristiky (P-I charakteristiky)

U laserů, když aplikovaný dopředný proud dosáhne určité hodnoty, výstupní optický výkon prudce vzroste, což má za následek oscilaci laseru. Tento proud se nazývá prahový proud, značí se ε. Výstupní charakteristika typického polovodičového laseru je znázorněna na obrázku 3-6. Pro stabilní a spolehlivý provoz platí, že čím nižší je prahový proud, tím lépe.

Obrázek 3-6 Výstupní charakteristické křivky typického laseru

Spektrální charakteristiky

Spektrální charakteristiky laseru jsou primárně určeny jeho podélnými vidy. Typické spektrální křivky pro multi-režimové a jedno{2}}režimové lasery jsou znázorněny na obrázcích 3-7a a 3-7b. Tady, λ₀představuje vlnovou délku odpovídající vrcholu podélného vidu s maximálním zářivým výkonem, nazývaným vrcholová vlnová délka, typicky 850 nm, 1310 nm a 1550 nm; Δλ_Aje spektrální šířka laseru, definovaná jako šířka vlnové délky odpovídající podélné obálce vidu klesající na polovinu své maximální hodnoty, také známá jako spektrální šířka plné šířky při polovičním maximu (FWHM). Spektrální šířka jednorežimového laseru se také nazývá šířka čáry. Spektrální obálka multi-módového laseru obecně obsahuje 3-5 podélných módů s hodnotou Δλ přibližně 3-5 mm; dobrý jednovidový laser má hodnotu Δλ přibližně 0,1 nm nebo dokonce menší. Δλ je interval vlnových délek mezi dvěma body na spektrální čáře, kde je spektrální zářivý výkon podélného vidu poloviční než jeho maximální hodnota.

Obrázek 3-7 Spektrální charakteristiky laseru

U laseru s jedním-podélným-režimem je poměr potlačení bočního-režimu (MSR) definován jako poměr výkonu P v hlavním režimu₀na sekundární stranu-režimu napájení P₀a je to míra harmonické čistoty laseru.

MSR=10lg(3-6) Emisní spektrum laseru se mění s provozními podmínkami. Když je injekční proud pod prahovým proudem, laser emituje fluorescenci se širokým spektrem; když se proud zvýší na prahový proud, spektrum se náhle zúží, intenzita se zvýší a dojde k lasování; když se vstřikovací proud dále zvyšuje, zvyšuje se zisk hlavního módu, zatímco zesílení bočních-módů klesá, počet oscilačních módů se snižuje a nakonec se objevuje jediný-laser s podélným módem. Vztah mezi výstupním spektrem laseru a vstřikovacím proudem je znázorněn na obrázku 3-8.

Obrázek 3-8 Vztah mezi výstupním spektrem laseru a vstřikovacím proudem

Spektrální šířka může být také reprezentována frekvencí. Na základě vztahu mezi frekvencí a vlnovou délkou můžeme získat:

Fotoelektrická účinnost

Fotoelektrická účinnost je poměr elektrického výkonu k optickému výkonu. Dá se vyjádřit několika způsoby:

(1) Vnitřní kvantová účinnost Lasery emitují světlo prostřednictvím rekombinace elektronů a děr vstřikovaných do aktivní vrstvy, ale ne všechny vstřikované elektrony a díry mohou podstoupit radiační rekombinaci. Vnitřní kvantová účinnost představuje poměr počtu fotonů generovaných v aktivní vrstvě k počtu injektovaných elektronových -dvojic děr, tj. počtu fotonů generovaných za jednotku času - počtu injektovaných elektronových- párů děr za jednotku času.

(2) Externí kvantová účinnost Vnitřní kvantová účinnost laserů může být velmi vysoká, některé se dokonce blíží 100 %, ale skutečný počet fotonů emitovaných laserem je mnohem nižší než počet fotonů generovaných v aktivní vrstvě. Je to částečně proto, že fotony generované v oblasti vyzařování jsou absorbovány jinými materiály, a částečně proto, že vlnovodný efekt PN přechodu značně snižuje počet fotonů, které mohou uniknout z rozhraní. Externí kvantová účinnost, tj. celková účinnost, je tedy definována jako: (3-8) počet emitovaných fotonů r - počet injektovaných párů elektron-díra za jednotku času. (3-9)

Teplotní charakteristiky

Charakteristiky prahového proudu laseru a výstupního optického výkonu jako funkce teploty jsou známé jako teplotní charakteristiky. Křivka znázorňující prahový proud laseru v závislosti na teplotě je znázorněna na obrázku 3-9. Jak je vidět z obrázku, prahový proud se zvyšuje s rostoucí teplotou.

Pro vyřešení teplotní citlivosti laseru lze do obvodu pohonu implementovat teplotní kompenzaci nebo lze použít chladič pro udržení teplotní stability zařízení. Typicky je laser zabalen společně s termistorem, chladičem polovodičů atd., aby vytvořil součást.

Termistor se používá k detekci teploty zařízení a ovládání chladiče, čímž se dosahuje uzavřené-smyčky s negativní zpětnou vazbou automatického řízení teploty.

Distribuovaný zpětnovazební laser

Lasery s distribuovanou zpětnou vazbou (DFB-LD) jsou typem laseru schopného generovat dynamicky řízené jednorežimové lasery, známé také jako dynamické jednorežimové lasery, což znamená, že jde o polovodičové lasery, které mohou stále pracovat v jednom režimu při vysokorychlostní modulaci. Jsou konstruovány leptáním vlnité periodické mřížky poblíž aktivní vrstvy, která zajišťuje optické zesílení, v heteropřechodovém laseru. Schematický diagram struktury laseru s distribuovanou zpětnou vazbou je znázorněn na obrázku 3-10.

Obrázek 3-10 Schematický diagram distribuované antilaserové struktury