10.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ

Хотя выполнение порогового условия имеет существенно значение для работы лазера, рассмотрим здесь другие характеристики. Спектральные характеристики лазерного излучения зависят от свойств резонатора. Рисунки 10.10 и 10.11 иллюстрируют поведение полупроводникового лазера по обе стороны от порога. Из рис. 10.10 видно, как можно определить пороговый ток. Крутизна ватт-амперной характеристики в области спонтанного излучения соответствует внешней квантовой эффективности, рассмотренной в § 8.5. Крутизна этой характеристики

Рис. 10.10. Типичная экспериментальная зависимость выходной мощности полупроводникового лазера от тока.

При низком токе (кривая а) оптическое излу чение определяется спонтанными переходами, и лазер подобен светоизлучающему дноду с торцевым излучением. В области кривой возрастаем доля индуцированного излучения; это режим суперлюмннесценцнн. При токах выше порога (при-вая с) в излучении лазера преобладает доля индуцированного излучения. Спектральные характеристики в этих трех режимах показаны на рис. 10.11

Рис. 10.11. Спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера при различных токах накачки. Характеристики соответствуют областям кривых а, б и в рис. 10.10: а — спонтанное излучение; б - суперлюмннееценция; в — лазерное излучение

в лазерном режиме называется дифференциальной квантовой эффективностью

Необходимо отметить, что увеличение тока накачки за порогбм не сопровождается ростом коэффициента усиления, величина которого остается практически неизменной

если Подразумевается, что коэффициент усиления и концентрация носителей насыщаются выше порога, а оптическая мощность растет почти полностью за счет процесса индуцированного излучения.

В § 8.5 было показано, что только часть спонтанного излучения, равная выходит через поверхность полупроводника. Доля индуцированного излучения в лазере значительно выше, поскольку

большая его часть распространяется под прямым углом к выходным граням и многократно отражается от них, пока не выйдет наружу. Будем обозначать коэффициент передачи индуцированного излучения Тогда общая излучаемая лазером выше порога мощность

где внутренние квантовые эффективности для спонтанного и индуцированного излучения соответственно. В § 8.5 вместо писали внут, но здесь необходимо различать два механизма излучения. Дифференцируя (10.4.3), получаем

Выразим через коэффициент усиления и коэффициент потерь арас Как следует из (10.1.13), мощность индуцированного излучения, генерируемая на единице длины активного вещества, пропорциональна Доля, пропорциональная рассеивается и теряется, в то время как оставшаяся часть пропорциональна арас, и составляет выходное лазерное излучение. Таким образом,

С учетом (10.4.2)

Из (10.4.7) следует, что дифференциальная квантовая эффективность может быть увеличена, если увеличить или уменьшить арас. Желательно и то, и другое. Снижение I или R также приводит к возрастанию но в то же время растет . В результате отношение может не увеличиться.

На практике зависимость оптической мощности от тока менее гладкая, чем представлено на рис. 10.10. В лазерном режиме часто наблюдаются пульсации оптической мощности. В гл. 11 обсудим работы, направленные на устранение этого нежелательного явления.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Для осуществления работы лазера в двухуровневой системе требуется инверсия населенности для обеспечения оптического усиления путем индуцированного излучения; б) оптический резонатор для обеспечения положительной оптической обратной связи.

Лазерный режим наблюдается, когда усиление превышает суммарные потери:

При этом меняется и характер излучения. Индуцированное излучение становится преобладающим над спонтанным. Параметры резонатора оказывают существенное влияние на характеристики излучения, оно становится монохроматическим и когерентным.

Оптическое усиление может наблюдаться в полупроводнике, если энергетический зазор между квазиуровнями Ферми для электронов и дырок превышает ширину запрещенной зоны. Для этого требуется инжекция неосновных носителей в сильно легированную область. Эмпирически установлено

Имеется некоторая пороговая плотность тока слегка превышающая ниже которой преобладает спонтанное излучение, а выше — быстро возрастает индуцированное (см. рис. 10.10). При этом наблюдается изменение спектральных характеристик, как показано на рис. 10.11:

Температура составляет около 150 К для GaAlAs/GaAs лазеров и около 70 К для приборов на основе InGaAsP/InP. В лазерном режиме