Аннотация: В данной работе исследуется зависимость порогового тока от температуры лазерного диода. В установке используется диодный лазер с псевдовнешним резонатором, который позволяет сузить ширину линии. В ходе исследований, были получены кривые зависимости мощности излучения (измеренной в относительных единицах) от тока и сами величины порогового тока для четырех температур (13 15,7 18,1 и 25 гр. Цельсия). Обнаружено что с повышением температуры растет и пороговый ток.
Введение
Многие из современных исследований в области атомной физики, и не только, так или иначе, связаны с взаимодействием атомов и излучения. Стандартными источниками излучения в большинстве случаев стали лазеры, легко настраиваемые на требуемые атомные переходы. Для этих целей особо хорошо подходят полупроводниковые лазеры. Так как они обладают рядом свойств, использовать которые наиболее выгодно по сравнения с другими типами лазеров. Диодный лазер вместе с источником питания занимают объем не более 1 см3 и потребляют очень малую мощность. Очень важно, что при правильной эксплуатации диодный лазер оказывается настроенным на заданную длину волны с точностью до нескольких мегагерц сразу же по включении. В настоящей работе исследуется зависимость мощности излучения полупроводникового лазера от тока и температуры.
- Теория
Слово "лазер" образовано от начальных букв слов английского выражения "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света с помощью индуцированного излучения". Физической основой работы лазера служит явление индуцированного излучения. В настоящей работе используется полупроводниковый лазер. Преимуществом диодного лазера является более высокая стабильность мощности, чем у других лазерных источников, что облегчает достижение высокой чувствительности при измерениях поглощения и флуоресценции.
Структура типичного диодного лазера показана на рис.1. Несмотря на очень малые размеры, такие приборы дают на выходе достаточную мощность непрерывного излучения с высоким КПД. Лазерное излучение генерируется при прохождении некоторого тока (называемого инжекционным) через активную область диода между разделительными слоями n- и p-типов. При этом создаются электроны и дырки, при последующей рекомбинации которых испускаются фотоны. Длина волны лазерного излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, причем спектральная ширина линии излучения очень велика по сравнению с шириной атомных переходов.
Зависимости выходной мощности типичного диодного лазера от инжекционного тока и температуры приведены на рис. 2. Можно видеть, что лазерная генерация начинается, когда инжекционный ток достигает некоторого порогового значения, которое растет с повышением температуры. При дальнейшем увеличении инжекционного тока выходная мощность быстро возрастает. При данном инжекционном токе выгодная мощность лазера быстро увеличивается с понижением температуры.
Длина волны излучения диодного лазера определяется в основном шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, но зависит также от температуры перехода и плотности инжекционного тока. Температурная зависимость частоты генерации лазера обусловлена тем, что с температурой изменяются как оптическая длина резонатора, так и кривая усиления. К сожалению, эти температурные зависимости сильно различаются. Например, для AlGaAs - лазеров температурный коэффициент оптической длины резонатора составляет примерно +0,06 нм/К, а кривая усиления при повышении температуры на 1К смещается примерно на +0,25 нм. В результате температурная характеристика перестройки лазера в случае идеального прибора представляет собой последовательность наклонных ступенек, разделенных разрывами. Каждая ступенька представляет перестройку в пределах одной продольной моды резонатора, тогда как скачок между ступеньками соответствует перескоку на соседнюю продольную моду (~0,35 нм) вследствие сдвига кривой усиления. Хотя перестройка лазера в целом осуществляется по описанной выше ступенчатой схеме, на практике зачастую возможен скачок сразу через несколько мод резонатора с вероятностью последующего обратного скачка при несколько более высокой температуре, как видно из рис.3.
Мода, на которую произойдет очередной перескок, обычно зависит от характеристик оптической обратной связи. С повышением температуры могут ухудшаться и другие характеристики лазера.
Длина волны излучения лазера зависит не только от температуры, но и от инжекционного тока. Изменения инжекционного тока приводят к изменению, как температуры диода, так и концентрации носителей, а значит и показателя преломления, а оба эти фактора влияют на длину волны. Во временном масштабе более 1 мкс можно считать, что влияние изменения тока на частоту сводится просто к быстрому изменению температуры, так как вклад концентрации носителей в перестройку по показателю преломления сравнительно мал. Ток влияет на температуру перехода за счет джоулева нагрева, и получающаяся кривая перестройки длины волны в функции тока имеет практически такую же форму, как и в функции температуры. Лишь при временах меньше ~1 мс температура не успевает измениться достаточно сильно, чтобы замаскировать влияние изменения концентрации носителей.
Астренлин В. Т. Новосибирск, 2001 г.
