Długość fali emisji
TheemisjaDługość fali lasera zależy od energii uwolnionej podczas przejścia elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, które jest w przybliżeniu równe pasmu wzbronionemu E (eV).
hf=Eg--(3.4)
Ponieważ c=f, gdzie f i λ to odpowiednio częstotliwość i długość fali emitowanego światła, c=3 × 10⁻³ m/s, h=6.628 × 10⁻³ J·s i 1 eV=1.60 × 10⁻¹ J, podstawiając do równania (3-4) otrzymujemy:
Ponieważ przerwa wzbroniona jest związana ze składem i zawartością materiałów półprzewodnikowych, w oparciu o tę zasadę można wytwarzać lasery o różnych długościach fal emisji.
Charakterystyka progowa (charakterystyka P-I)
W przypadku laserów, gdy przyłożony prąd przewodzenia osiąga określoną wartość, wyjściowa moc optyczna gwałtownie wzrasta, powodując oscylacje lasera. Prąd ten nazywany jest prądem progowym i oznaczany jest przez ε. Charakterystykę wyjściową typowego lasera półprzewodnikowego pokazano na rysunku 3-6. Aby zapewnić stabilną i niezawodną pracę, im niższy prąd progowy, tym lepiej.
Rysunek 3-6 Krzywe charakterystyki wyjściowej typowego lasera
Charakterystyka widmowa
Charakterystyka widmowa lasera zależy przede wszystkim od jego modów podłużnych. Typowe krzywe widmowe dla laserów wielomodowych i jednomodowych- pokazano na rysunkach 3-7a i 3-7b. Tutaj, λ0oznacza długość fali odpowiadającą szczytowi trybu podłużnego z maksymalną mocą promieniowania, zwaną szczytową długością fali, zwykle 850 nm, 1310 nm i 1550 nm; ΔλAto szerokość widmowa lasera, zdefiniowana jako szerokość fali odpowiadająca obwiedni trybu podłużnego zmniejszająca się o połowę jej maksymalnej wartości, znana również jako pełna szerokość przy połowie maksymalnej szerokości widmowej (FWHM). Szerokość widmowa lasera jednomodowego-jest również nazywana szerokością linii. Obwiednia widmowa lasera wielo-modowego zawiera zazwyczaj 3-5 modów podłużnych, z wartością Δλ około 3-5 mm; dobry laser jednomodowy ma wartość Δλ około 0,1 nm lub nawet mniejszą. Δλ to odstęp długości fali między dwoma punktami na linii widmowej, w którym widmowa moc promieniowania w trybie podłużnym stanowi połowę jej wartości maksymalnej.
Rysunek 3-7 Charakterystyka widmowa lasera
W przypadku lasera jedno-podłużnego-modowego współczynnik tłumienia-modu bocznego (MSR) definiuje się jako stosunek mocy trybu głównego P0do strony wtórnej-moc trybu P0i jest miarą czystości harmonicznej lasera.
MSR=10lg(3-6) Widmo emisji lasera zmienia się w zależności od warunków pracy. Gdy prąd wtrysku jest niższy od prądu progowego, laser emituje fluorescencję o szerokim spektrum; gdy prąd wzrasta do wartości progowej, widmo nagle się zwęża, intensywność wzrasta i następuje laserowanie; gdy prąd wtrysku dalej wzrasta, wzmocnienie modu głównego wzrasta, podczas gdy wzmocnienie modów bocznych-maleje, liczba modów oscylacyjnych maleje, a na koniec pojawia się laser z pojedynczym-modem podłużnym. Zależność pomiędzy widmem wyjściowym lasera a prądem wtrysku pokazano na rysunku 3-8.
Rysunek 3-8 Zależność pomiędzy widmem wyjściowym lasera a prądem wtrysku
Szerokość widmową można również przedstawić za pomocą częstotliwości. Na podstawie zależności pomiędzy częstotliwością i długością fali możemy otrzymać:
Sprawność fotoelektryczna
Sprawność fotoelektryczna to stosunek mocy elektrycznej do mocy optycznej. Można to wyrazić na kilka sposobów:
(1) Wewnętrzna wydajność kwantowa Lasery emitują światło poprzez rekombinację elektronów i dziur wprowadzonych do warstwy aktywnej, ale nie wszystkie wstrzyknięte elektrony i dziury mogą przejść rekombinację radiacyjną. Wewnętrzna wydajność kwantowa reprezentuje stosunek liczby fotonów wygenerowanych w warstwie aktywnej do liczby wstrzykniętych par elektron-dziur, tj. liczby fotonów wygenerowanych w jednostce czasu - liczby wstrzykniętych par elektronów-dziur w jednostce czasu.
(2) Zewnętrzna wydajność kwantowa Wewnętrzna wydajność kwantowa laserów może być bardzo wysoka, w niektórych przypadkach dochodzi nawet do 100%, ale rzeczywista liczba fotonów emitowanych przez laser jest znacznie mniejsza niż liczba fotonów generowanych w warstwie aktywnej. Dzieje się tak częściowo dlatego, że fotony generowane w obszarze emitującym są absorbowane przez inne materiały, a częściowo dlatego, że efekt falowodu złącza PN znacznie zmniejsza liczbę fotonów, które mogą uciec z granicy faz. Dlatego zewnętrzną wydajność kwantową, czyli wydajność całkowitą, definiuje się jako: (3-8) liczba wyemitowanych fotonów r - liczba wstrzykniętych par elektron-dziura w jednostce czasu. (3-9)
Charakterystyka temperaturowa
Charakterystyki prądu progowego lasera i wyjściowej mocy optycznej w funkcji temperatury nazywane są charakterystykami temperaturowymi. Krzywą przedstawiającą prąd progowy lasera w funkcji temperatury pokazano na rysunku 3-9. Jak widać na rysunku, prąd progowy rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Aby rozwiązać problem wrażliwości lasera na temperaturę, można zastosować kompensację temperatury w obwodzie napędowym lub zastosować chłodnicę, aby utrzymać stabilność temperatury urządzenia. Zwykle laser jest pakowany razem z termistorem, chłodnicą półprzewodnikową itp., tworząc element.
Termistor służy do wykrywania temperatury urządzenia i sterowania chłodnicą, co pozwala uzyskać automatyczną kontrolę temperatury w zamkniętej pętli-z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.
Laser z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym
Lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB-LD) to rodzaj lasera zdolnego do generowania dynamicznie sterowanych laserów jedno-modowych, znanych również jako dynamiczne lasery jedno-modowe, co oznacza, że są to lasery półprzewodnikowe, które mogą nadal działać w jednym trybie przy modulacji z dużą-prędkością. Są one konstruowane poprzez wytrawienie falistej siatki okresowej w pobliżu warstwy aktywnej, która zapewnia wzmocnienie optyczne, w laserze heterozłączowym. Schematyczny diagram struktury lasera z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym pokazano na rysunku 3-10.
Rysunek 3-10 Schematyczny diagram rozproszonej struktury antylaserowej
