Μήκος κύματος εκπομπής
ΟεκπομπήΤο μήκος κύματος ενός λέιζερ εξαρτάται από την ενέργεια που απελευθερώνεται όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους, η οποία είναι περίπου ίση με το διάκενο ζώνης E (eV).
hf=Eg--(3.4)
Εφόσον c=f, όπου f και λ είναι η συχνότητα και το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός, αντίστοιχα, c=3 × 10-3 m/s, h=6.628 × 10-3 J·s, και 1 eV=1.60 × 10-1 υποκατάσταση εξίσωσης 3-1, J,
Δεδομένου ότι το διάκενο ζώνης σχετίζεται με τη σύνθεση και το περιεχόμενο των υλικών ημιαγωγών, τα λέιζερ με διαφορετικά μήκη κύματος εκπομπής μπορούν να κατασκευαστούν βάσει αυτής της αρχής.
Χαρακτηριστικά κατωφλίου (P-Χαρακτηριστικά I)
Για τα λέιζερ, όταν το εφαρμοζόμενο προς τα εμπρός ρεύμα φτάσει σε μια ορισμένη τιμή, η οπτική ισχύς εξόδου αυξάνεται απότομα, με αποτέλεσμα την ταλάντωση του λέιζερ. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται ρεύμα κατωφλίου, που συμβολίζεται με ε. Η χαρακτηριστική καμπύλη εξόδου ενός τυπικού λέιζερ ημιαγωγών φαίνεται στο Σχήμα 3-6. Για σταθερή και αξιόπιστη λειτουργία, όσο χαμηλότερο είναι το ρεύμα κατωφλίου, τόσο το καλύτερο.
Σχήμα 3-6 Χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου ενός τυπικού λέιζερ
Φασματικά χαρακτηριστικά
Τα φασματικά χαρακτηριστικά ενός λέιζερ καθορίζονται κυρίως από τους διαμήκεις τρόπους λειτουργίας του. Τυπικές φασματικές καμπύλες για λέιζερ πολλαπλών-τρόπων και μονής-λειτουργίας φαίνονται στα σχήματα 3-7α και 3-7β. Εδώ, λ0αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος που αντιστοιχεί στην κορυφή του διαμήκους τρόπου λειτουργίας με μέγιστη ισχύ ακτινοβολίας, που ονομάζεται μήκος κύματος κορυφής, τυπικά 850 nm, 1310 nm και 1550 nm. ΔλAείναι το φασματικό πλάτος του λέιζερ, που ορίζεται ως το πλάτος μήκους κύματος που αντιστοιχεί στη διαμήκη θήκη λειτουργίας που μειώνεται στο μισό της μέγιστης τιμής του, επίσης γνωστό ως το πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο φασματικό πλάτος (FWHM). Το φασματικό πλάτος ενός λέιζερ μονής-λειτουργίας ονομάζεται επίσης πλάτος γραμμής. Το φασματικό περίβλημα ενός λέιζερ πολλαπλών-λειτουργιών περιέχει γενικά 3-5 διαμήκεις τρόπους, με τιμή Δλ περίπου 3-5 mm. ένα καλό λέιζερ μονής λειτουργίας έχει τιμή Δλ περίπου 0,1 nm, ή ακόμα μικρότερη. Δλ είναι το διάστημα μήκους κύματος μεταξύ δύο σημείων της φασματικής γραμμής όπου η φασματική ισχύς ακτινοβολίας ενός διαμήκους τρόπου λειτουργίας είναι το ήμισυ της μέγιστης τιμής του.
Εικόνα 3-7 Φασματικά χαρακτηριστικά του λέιζερ
Για ένα λέιζερ μονής-διαμήκους-λειτουργίας, ο λόγος καταστολής πλευρικής-λειτουργίας (MSR) ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος της κύριας λειτουργίας P0στη δευτερεύουσα πλευρά-λειτουργία ισχύος P0, και είναι ένα μέτρο της αρμονικής καθαρότητας του λέιζερ.
MSR=10lg(3-6) Το φάσμα εκπομπής του λέιζερ αλλάζει ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Όταν το ρεύμα έγχυσης είναι κάτω από το ρεύμα κατωφλίου, το λέιζερ εκπέμπει φθορισμό με ευρύ φάσμα. Όταν το ρεύμα αυξάνεται στο ρεύμα κατωφλίου, το φάσμα περιορίζεται ξαφνικά, η ένταση αυξάνεται και εμφανίζεται lasing. όταν το ρεύμα έγχυσης αυξάνεται περαιτέρω, το κέρδος του κύριου τρόπου λειτουργίας αυξάνεται, ενώ το κέρδος των πλευρικών-λειτουργιών μειώνεται, ο αριθμός των τρόπων ταλάντωσης μειώνεται και, τέλος, εμφανίζεται ένα λέιζερ μονής-διαμήκους λειτουργίας. Η σχέση μεταξύ του φάσματος εξόδου του λέιζερ και του ρεύματος έγχυσης φαίνεται στο Σχήμα 3-8.
Σχήμα 3-8 Σχέση μεταξύ φάσματος εξόδου λέιζερ και ρεύματος έγχυσης
Το φασματικό πλάτος μπορεί επίσης να αναπαρασταθεί από τη συχνότητα. Με βάση τη σχέση μεταξύ συχνότητας και μήκους κύματος, μπορούμε να λάβουμε:
Φωτοηλεκτρική απόδοση
Η φωτοηλεκτρική απόδοση είναι ο λόγος της ηλεκτρικής ισχύος προς την οπτική ισχύ. Μπορεί να εκφραστεί με διάφορους τρόπους:
(1) Εσωτερική κβαντική απόδοση Τα λέιζερ εκπέμπουν φως μέσω του ανασυνδυασμού ηλεκτρονίων και οπών που εγχέονται στο ενεργό στρώμα, αλλά δεν μπορούν όλα τα εγχυόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές να υποστούν ανασυνδυασμό ακτινοβολίας. Η εσωτερική κβαντική απόδοση αντιπροσωπεύει τον λόγο του αριθμού των φωτονίων που δημιουργούνται στο ενεργό στρώμα προς τον αριθμό των ζευγών οπών που έχουν εγχυθεί-π.χ. τον αριθμό των φωτονίων που δημιουργούνται ανά μονάδα χρόνου - τον αριθμό των εγχυόμενων ζευγών ηλεκτρονίων-των οπών ανά μονάδα χρόνου.
(2) Εξωτερική κβαντική απόδοση Η εσωτερική κβαντική απόδοση των λέιζερ μπορεί να γίνει πολύ υψηλή, μερικά ακόμη και να πλησιάζουν το 100%, αλλά ο πραγματικός αριθμός φωτονίων που εκπέμπονται από ένα λέιζερ είναι πολύ μικρότερος από τον αριθμό των φωτονίων που παράγονται στο ενεργό στρώμα. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι τα φωτόνια που παράγονται στην περιοχή εκπομπής απορροφώνται από άλλα υλικά και εν μέρει επειδή το φαινόμενο κυματοδηγού της σύνδεσης PN μειώνει σημαντικά τον αριθμό των φωτονίων που μπορούν να διαφύγουν από τη διεπαφή. Επομένως, η εξωτερική κβαντική απόδοση, δηλαδή η συνολική απόδοση, ορίζεται ως: (3-8) ο αριθμός των εκπεμπόμενων φωτονίων r - ο αριθμός των εγχυόμενων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών ανά μονάδα χρόνου. (3-9)
Θερμοκρασιακά χαρακτηριστικά
Τα χαρακτηριστικά του ρεύματος κατωφλίου και της οπτικής ισχύος εξόδου ενός λέιζερ ως συνάρτηση της θερμοκρασίας είναι γνωστά ως χαρακτηριστικά θερμοκρασίας. Η καμπύλη που δείχνει το ρεύμα κατωφλίου του λέιζερ σε σχέση με τη θερμοκρασία φαίνεται στο Σχήμα 3-9. Όπως φαίνεται από το σχήμα, το ρεύμα κατωφλίου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Για την αντιμετώπιση της ευαισθησίας στη θερμοκρασία του λέιζερ, μπορεί να εφαρμοστεί αντιστάθμιση θερμοκρασίας στο κύκλωμα μετάδοσης κίνησης ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ψυγείο για τη διατήρηση της σταθερότητας θερμοκρασίας της συσκευής. Τυπικά, το λέιζερ συσκευάζεται μαζί με ένα θερμίστορ, ένα ψυγείο ημιαγωγών κ.λπ., για να σχηματίσει ένα εξάρτημα.
Το θερμίστορ χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της θερμοκρασίας της συσκευής και τον έλεγχο του ψυγείου, επιτυγχάνοντας αυτόματο έλεγχο θερμοκρασίας αρνητικής ανάδρασης κλειστού-βρόχου.
Κατανεμημένο λέιζερ ανάδρασης
Τα λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (DFB-LDs) είναι ένας τύπος λέιζερ ικανού να παράγει δυναμικά ελεγχόμενα λέιζερ μονής-λειτουργίας, γνωστά και ως λέιζερ δυναμικής μονής-τρόπου, που σημαίνει ότι είναι λέιζερ ημιαγωγών που μπορούν ακόμα να λειτουργούν σε μία μόνο λειτουργία υπό υψηλή{{3} ταχύτητα. Κατασκευάζονται με χάραξη ενός κυματοειδούς περιοδικού πλέγματος κοντά στο ενεργό στρώμα, το οποίο παρέχει οπτική ενίσχυση, σε ένα λέιζερ ετεροσύνδεσης. Ένα σχηματικό διάγραμμα μιας δομής λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης φαίνεται στο Σχήμα 3-10.
Εικόνα 3-10 Σχηματικό διάγραμμα κατανεμημένης δομής αντι-λέιζερ
