Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
1
g = Г
11
V
(5.11)
Аф = - kL + qn. (5.12)
Для удобства воспользуемся следующими обозначениями:
x = (k - kB )lB, a = L, b = kBL. (5.13)
lB
С учетом этих обозначений фазовое условие (5.12) запишется в виде:
32
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Аф = - ax - b + qn. (5.14)
Изобразим зависимости R(x) и Аф(x) на одном графике (рис. 5.7 а). По точкам пересечения кривой Аф( x) и семейства прямых, задаваемых правой частью уравнения (5.14) при разных q, находим длины волн, соответствующие модам резонатора с РБО:
Хп = 2п
Ч
x
v п1в
m + — Л
л
-1
(5.15)
Затем определяем значения R(x) в точках x = xq и по амплитудному условию генерации (5.11) рассчитываем пороговые коэффициенты усиления gq для мод. Лазер будет генерировать на той моде, для которой величина порогового усиления gq окажется наименьшей (рис. 5.7 б).
Рис. 5.6. Зависимости коэффициента отражения (а) и сдвига фазы на бреггов-
ской решетке (б) от длины волны
R, Аф
а
б
max
в
Рис. 5.7. К определению собственных мод резонатора с распределенными брегговскими отражателями (а) и длины волны генерации лазера с РБО (б):
1 - коэффициент отражения брегговской решетки R; 2 - сдвиг фазы при отражении от
решетки Аф ; 3 - функция (-ax - b + qn)
33
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Таким образом, РБО-лазер генерирует на одной моде вблизи брег-говской длины волны Xв = 2Л/m. Генерация может быть настроена на
брегговскую длину волны подбором L или другими способами, влияющими на сдвиг фаз при отражении от гофрированного участка.
В отличие от лазера с РБО, в РОС-лазере решетка формируется в активном волноводе. В РОС-лазере моды с одним и тем же усилением расположены симметрично по обе стороны от Хв. При этом генерация на брегговской длине волны запрещена, но имеются условия для одновременной генерации двух мод слева и справа от Хв, что может приводить к нестабильности излучения. Для внесения асимметрии в спектр мод применяются различные способы, в частности создание гофра с пространственным сдвигом фаз п/ 2 в центре решетки.
Отметим, что лазеры с РБО и РОС обеспечивают возможность вывода излучения как в плоскости волновода, так и через его поверхность.
Твердотельные микролазеры. Основным способом возбуждения твердотельных сред является оптическая накачка. Генерацию получают на внутрицентровых переходах в ионах примесей (активаторов), вводимых в прозрачную кристаллическую или стеклянную матрицу. Особенностью этих ионов является наличие частично незаполненных внутренних электронных оболочек. На переходах между энергетическими уровнями этих оболочек и получают лазерную генерацию.
В системах накачки твердотельных лазеров обычно используют лампы сверхвысокого давления и иодные лампы накаливания. Светодиодные системы накачки позволяют повысить КПД лазера за счет сужения спектра возбуждающего излучения и уменьшить размеры активного элемента до нескольких миллиметров. Накачка твердотельных лазеров осуществляется также с помощью полупроводниковых инжекционных лазеров на основе AlGaAs, InGaAsP и др.
При переходе к микролазерам необходимо существенно повысить коэффициент усиления активного вещества. Для этого нужно увеличить концентрацию активных центров в матрице. Однако высокая концентрация активатора приводит к сокращению времени жизни частиц на верхнем лазерном уровне, что затрудняет получение инверсии. Перспективным оказался переход от нестехиометрических лазеров, в которых ионы вводятся в матрицу в виде примеси, к стехиометрическим, где активные ионы входят в состав элементарных ячеек основного вещества. Высокий коэффициент усиления позволяет уменьшить длину активного элемента до сотен микрометров, поперечные размеры до десятков микрометров, а пороговую мощность накачки до 1 мВт и менее, что позволяет создавать тонкопленочные лазеры для интегральной оптоэлектроники.
Преимуществом твердотельных микролазеров является их высокая
34
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
температурная стабильность и радиационная стойкость. КПД твердотельных лазеров невысок (единицы процентов) из-за двойного преобразования энергии при накачке.
Лазеры на активированных оптических волокнах. Появление первого волоконного лазера относят к 1973 году. Отличительными особенностями волоконных лазеров являются стабильная модовая структура излучения, совместимость с другими волоконно-оптическими элементами, теоретически неограниченная длина активной среды.
3
6
а
P
Рис. 5.8. Лазер на оптическом волокне с накачкой через оболочку:
а - схема накачки; б - схема лазера; 1 - сердцевина; 2 - внутренняя стеклянная оболочка; 3 -внешняя полимерная оболочка; 4 - инжекцион-ный лазер; 5 - линзы; 6 - оптическое волокно; Pp и Po - излучение накачки и выходное лазерное излучение
В первых лазерах использовались кристаллические волокна, однако из-за трудностей выращивания кристаллов они не получили широкого распространения. Основные усилия были сосредоточены на стеклянных волокнах, изготавливаемых стандартными для волоконной оптики методами. Такие волокна накачиваются с торца одномодовыми инжекционными лазерами. Однако торцевая накачка не позволяет эффективно возбуждать волокно по всей длине, что ограничивает мощность лазера. В конце 1980-х годов разработаны волоконные лазеры с накачкой из оболочки (рис. 5.8). Излучение накачки поглощается при многократных пересечениях сердцевины светом, отраженным от границы раздела внутренней и внешней оболочек, что обеспечивает накачку по всей длине волокна. Зеркала резонатора формируются путем полировки торцов волокна. Диаметр сердцевины составляет около 8 мкм, диаметр внутренней оболочки - около 300 мкм. В 1997 году сотрудники фирмы Polaroid Corp. получили на одномодовом волокне легированном эрбием излучение на длине волны 1,1 мкм с мощностью 35 Вт и дифференциальной эффективностью 65%.
