- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ............................................... 4
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................... 10
§ 1.1 Исследование ширины линии генерации
инжекционных лазеров...................... ^
§ 1.2.Спектральная селекция типов колебаний инжекционного лазера с помощью внешней
оптической свяаи.*.**....................... ^
ГЛАВА II. ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛШ^ ЧАСТЬ................... 38
§ 2.1.Методики анализа спектра генерации,
оо
применяемые в работе......................
§ 2.2.Просветление зеркал инжекционных лазеров. 48
§ 2.3.Блок питания и модуляции тока лазера 83
§ 2.4.Селективные элементы......................88
§ 2.5.Конструкции криостатов....................88
г! § 2.6. Механические и пьезокерамические узлы юстировки объектива и внешнего зеркала.... ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРИНЫ ЛИНИИ
ГЕНЕРАЦИИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ...............66
§ 3. ^Экспериментальная установка.................66
§ 3.2.Типы исследовавшихся лазеров...............
§ 3.3.Результаты исследований....................
§ 3.4. Обсуждение результатов.....................8®
Выводы.....................................
ГЛАВА 1У. ИНЖЕКЦИОННЫй ЛАЗЕР С ВНЕШНИМ РЕЗОНАТОРОМ.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОДНОЧАСТОТНОГО РЕЖИМА ГЕНЕРАЦИИ И ПЛАВНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ................I83
- З -
§ 4.І.Схемы резонатора лазера с внешней оптической связью........................................... *
§ 4.2.Типы колебаний и пороговое усиление лазера
107
с внешним резонатором..........................
§ 4.3. Исследование характеристик инжекционного
лазера с внешней оптической связью..............**4
§ 4.4.Анализ результатов...............................*32
§ 4.5.Инжекционный лазер с внешним селективным
зеркалом на парах С$ *33........................139
Т44
Выводы..........................................
ГЛАВА У. ШИРИНА ЛИНИИ ГЕНЕРАЦИИ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА
С ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ.........................145
145
Введение........................................
§ 5.1.Ширина линии генерации лазера с внешней
оптической связью, работающего в свободном
147
режиме......................................... '
§ 5.2.Стабилизация частоты лазера с внешней оптической связью по резонансам пропускания
интерферометра..................................*5*
§ 5.3.Ширина линии генерации инжекционного лазера с внешенёйоптической связью, работающего
в режиме привязки по сигналу биений............*39
Выводы......................................... *35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................166
ПРИЛОЖЕНИЕ. ДОБРОТНОСТЬ РЕЗОНАТОРА ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА 169 ЛИТЕРАТУРА....................................................173
- 4 ~
ВВЕДЕНИЕ
В 1961 году Н.Г. Басов, О.Н. Крохин и Ю.М. Попов предложили создать полупроводниковый лазер на р-п переходе /4/.
Это предложение было осуществлено сразу в нескольких лабораториях /2 -Ч /• Компактность, простота накачки, прямое и эффективное преобразование электрической энергии в световую, простые способы перестройки частоты генерации и богатое многообразие возможных применений (оптическая связь, обработка и передача информации, голография, спектроскопия, метерология, квантовые стандарты частоты) стимулировали интенсивное развитие инжекционных лазеров.
В развитии инжекционных лазеров можно выделить несколько главных этапов:
1. Разработка теоретических основ и получение генерации на диффузионных р-п переходах с широким контактом, работающих при температуре жидкого азота.
2. Уточнение физических механизмов, определяющих усиление и потери в инжекционных лазерах, в частности, влияние волновода на величину дифракционных потерь.
3. Создание полосковых одноканальных лазеров, получение воспроизводимых спектров, развитие теории поперечных мод.
4. Освоение технологии гетеропереходов, создание волноводных структур с улучшеным перекрытием функций пространственного ; ■ распределения усиления и поля, получение ге-
нерации в гетероструктурах с полосковым контактом при комнатной температуре.
5. Получение одночастотного режима в широком диапазоне токов накачки, благодаря осуществлению пространственной стабилизации положения поля в боковом направлении.
6. Создание лазеров с квантово-размерным эффектом.
о
7. Создание сфазированных решеток лазеров в едином монокристалле.
8. Расширение спектрального диапазона, перекрываемого инжекционными лазерами с современной структурой за счет использования четверных соединений полупроводников типа А3В5.
Основным материалом, использовавшимся для создания ин-жекционных лазеров в течение длительного времени являлся и СоДСДв . Ширина линии усиления инжекционных лазеров, отнесенная к частоте генерации не превышает 5%. При вариации состава тройного соединения и рабочей температуры лазеров можно перекрыть диапазон длин волн 680 - 900 нм. Для перекрытия более широкого интервала были освоены другие материалы на основе соединений А3В5 (0,65 - 4) мкм и А4В6 (3,5 - 40) мкм. В последнее время очень быстро развиваются четверные соединения на базе А3В3 в особенности, система (оа1иР/?£ позволяющая, в частности, получить генерацию в диапазонах 1,3 и 1,55 мкм, где развертываются волоконно-оптические системы связи.
Перечисленные этапы развития инжекционных лазеров приводили только к модификации поперечной структуры (в плоскости перпендикулярной оптической оси) лазерных диодов. В продольном направлении активная область оставалась однородной (с точностью до неконтролируемых неоднородностей материала). В рамках такого подхода удалось значительно улучшить характеристики полупроводниковых лазеров, однако для многих применений возможности эффективного управления параметрами лазерного излучения, оставались недостаточными.
В результате возник ряд направлений, в которых для улучшения характеристик лазеров используются структуры с пространственной неоднородностью вдоль резонатора. К этим направлениям можно отнести:
- 6 -
1. Лазеры с внешней оптической связью.
2. Лазеры с неоднородной вдоль оси резонатора накачкой, в
3
частности, разрезные или в более современном варианте С -лазеры
уСО связью^
(ссвд\/ее( соир&сЛ са\/съу. - составной резонатор^чёрез сколотые грани).
3. Лазеры с распределенной обратной связью и (или) брег-говскими отражателями.
Разработка перечисленных направлений позволяет повышать мощность генерации, изменять диаграмму направленности, реализовать синхронизацию мод и ультракороткие импульсы, получать одночастотную генерацию и перестраивать частоту в этом режиме, осуществлять высокочастотную модуляцию, подавлять амплитудные и фазовые флуктуации.
В настоящей работе основное внимание было уделено изучению и улучшению спектральных и перестроечных характеристик инжекционных лазеров на основе ОаЙ£$Б и созданию на основе этих исследований высококогерентного источника излучения пригодного для применений в спектроскопии высокого разрешения, метрологии, стандартов частоты, как микроволнового так и оптического диапазонов и оптической гетеродинной связи. Это и составило основную цель работы. Для её достижения использовалось первое из перечисленных направлений - применение внешней оптической обратной связи для улучшения спектральных характеристик инжекционных лазеров, которое не требует вмешательства в технологию выращивания инжекционных лазеров и позволяющее получать одночастотную генерацию с узким спектром и перестройкой в широких пределах (см.1У и У главы настоящей работы).
В этой связи заметим, что интервал перестройки частоты генерации лазеров с распределенной обратной связью (РОС - лазеры) существенно меньше, чем у лазеров с внешним селективным
о
резонатором. Лазеры со связанными микрорезонаторами (типа С ) по диапазону перестрой® занимают промежуточное положение между лазерами с внешней оптической связью и РОС лазерами. Кроме
О
того С - лазеры также как и лазеры с внешней оптической связью позволяют устранять разрывы в перестроечной характеристике, свойственные обычным инжекционным лазерам из-за различия перестроечных коэффициентов для линии усиления и продольных мод. Для спектроскопии высокого разрешения решающим преимуществом инжекционного лазера с внешней оптической связью по сравнению
•э
с РООи С - лазерами является существенно более высокая монохроматичность излучения.
В работе решаются следующие задачи:
- исследование ширины линии генерации инжекционных лазеров;
- исследование влияния внешней оптической связи на ширину линии генерации инжекционных лазеров;
- разработка и исследование методов перестройки частоты инжекционного лазера с внешним резонатором.
Диссертация содержит введение, пять глав, приложение и заключение. В первой главе дан обзор литературных данных по исследованию ширины линии генерации инжекционных лазеров и спектральных характеристик лазера с внешним резонатором, выполненных к началу настоящей работы. Во второй главе изложены методические вопросы. В третьей - приведены результаты исследования ширины линии генерации инжекционных лазеров с различной поперечной структурой волновода при комнатной и азотной температурах и для различных уровней накачки. В четвертой главе рассмотрены проблемы, связанные с получением одночастотного режима генерации лазера с внешней оптической связью и разработкой методов плавной перестройки его частоты, представлено экспериментальное исследование перестроечных характеристик
О -
инжекционного лазера с внешним резонатором. Приведено теоретическое объяснение асимметрии зависимости мощности генерации от расстройки плечей резонатора. Последний параграф главы посвящен получению импульсной генерации инжекционного лазера с внешним дисперсионным элементом, использующим селективное зеркальное отражение от ячейки с парами цезия. В пятой главе представлены результаты исследования спектральных характеристик инжекционного лазера с внешним резонатором. Описана стабилизация частоты по резонансу пропускания конфокального интерферометра и взаимная привязка частот двух лазеров по сигналу биений. Завершают главу результаты гетеродинного исследования ширины линии генерации инжекционных лазеров с внешней оптической связью, выполненные в режиме стабилизации частоты биений. В приложении приведен вывод формулы добротности инжекционного лазера.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Создана экспериментальная установка для интерферометри-ческого и гетеродинного исследования спектральных характеристик инжекционных лазеров. Впервые продемонстрирована эффективность использования одночастотного инжекционного лазера с внешним резонатором в качестве гетеродина.
2. Проведено исследование зависимости ширины линии генерации инжекционных лазеров от различных параметров (мощности, температуры, структуры резонатора лазера). Установлено, что ширина линии генерации инжекционных лазеров на 2 - 3 порядка превышает оценки, сделанные по формуле Шавлова - Таунса.
3. Предложено и экспериментально реализовано сужение линии генерации инжекционного лазера с внешней оптической связью. Установлено, что естественная ширина линии генерации инжекционного лазера с внешней оптической связью не превышает 0,5 кГц при мощности излучения 3 мВт.
- э
4. Исследованы зависимости мощности и частоты генерации от длины внешнего и собственного резонаторов, разработан метод одновременной перестройки обоих плечей резонатора, позволяющий на порядок увеличивать диапазон непрерывной перестройки частоты генерации.
5. Обнаружена и экспериментально исследована асимметрия зависимости мощности генерации от расстройки плечей резонатора лазера с внешней оптической обратной связью. Показано, что учет зависимости показателя преломления от мощности генерации объясняет особенности перестроечных характеристик инжекционных лазеров с внешним резонатором.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах: /53, 72, 82, 83, 88, 97, 98, 99, 101, 104, 105 /.
- 10
ГЛАВА І
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
§1.1. Исследование ширины линии генерации инжекционных лазеров
Приведем простейшую качественную оценку ширины линии генерации инжекционного лазера, следуя работам /5,6 /.
Рассмотрим сначала затухание энергии в пассивном оптическом резонаторе. Оно происходит со скоростью \л/=-\х//Г , по закону \л/ =\л!0&хр(-і /т), где V/ - энергия электромагнитного поля в резонаторе, Т - время релаксации энергии. Учитывая, что W = , где N число фотонов в резонаторе, а ИСО ъх энергия, приходим к соответствующим соотношениям А/•= - А/ /Т и А/ =
• Очевидно, что Т является и временем жизни фо-
о
тона в резонаторе. Плотность электромагнитного поля ~Е и затухает по тому же закону. Следовательно, напряженность
4-^ = -(/г . Полагая ВС-ь)^0 . при ~і^07
для Фурье компоненты имеем
спектральное распределение мощности
* £°
#Ао) = Ссио.са)г+072Ї2- '
Это хорошо известный результат: экспоненциально затухающее поле имеет лоренцевский спектр с полной шириной линии на полувысоте = Г 1 . Качество резонатора принято характеризовать безразмерным параметром (3 , определяемым как отношение энергии, накопленной в резонаторе, к полной энергии, теряемой на поглощение, рассеяние и излучение через зеркала за время 4 I и)
- II -
Q- ________^----- - u)t=. —— (i.o)
Itil'l/u) ^Wp
где первое равенство следует из определения, а второе и третье -W г А
из W=W2 и Г= (^cojp . Таким образом, для ширины линии
пассивного резонатора справедливо
«л,
Теперь перейдем к оценке ширины линии генерации лазера, работающего в непрерывном режиме на одной продольной и фундаментальной поперечной моде. Будем исходить из соотношения (I.I). На первый взгляд оно неприменимо для лазера, поскольку полная энергия поля моды не изменяется со временем, так что \л/-0 . Однако, следует учитывать, что баланс энергии в лазере поддерживается двумя процессами: стимулированным и спонтанным излучением в моду. Из-за поступления спонтанных фотонов в моду потери когерентного излучения превышают усиление. Если бы имело место точное равенство, то из-за непрерывного поступления спонтанных фотонов в моду энергия бы неограниченно возрастала. Из условия стационарности следует, что эффективная мощность потерь, т.е. все потери, как внешние, так и внутренние, за вычетом усиления, равна мощности спонтанного излучения в моду Реп . Примем в качестве исходного выражения для ширины лазера
Ди)іч- Реп/ Л/^W (1.2)
Подчеркнем ещё раз различие между (I.I) и (1.2). В первом случае поле в резонаторе монотонно затухает, а во втором - поле и энергия моды в резонаторе лазера в среднем не изменяются.
Тем не менее, можно дать разумное физическое истолкование проводимой аналогии. Энергия спонтанного излучения поступает в моду порциями, между которыми происходит затухание когерент-
- 12 -
ного излучения с характерным временем, определяющим Д Wa . Заметим, что строгий расчет подтверждает результат такого качественного рассмотрения.
Выразим теперь величины Реп и А/ через параметры лазера, подающиеся прямому измерению - выходную мощность и добротность резонатора. Из соотношения Эйнштейна, связывающего вероятности вынудценного и спонтанного излучения следует
Per =Л/Рсп (1.3)
эазность)
Pi fjaanuuTDj
ст ^~бШевду
стимулированным излучением и резонансным поглощением
Р* = Ро-Гл/г-МОМ (1.4)
Здесь, чтобы получить формулу Шавлова-Таунса;рассмотрение ограничено классом лазеров, имеющих дискретные рабочие уровни. Д/2и м населенности верхнего и нижнего уровней, соответственно. Баланс мощности излучения в моду имеет вид
Рсг 4 Реп = , (1.5)
а -
где г0 - полная мощность нерезонансных потерь, включая "полезные” потери на зеркалах. Из (3, 4, 5) имеем
Ро=РспЕі +ь/фСМі-а/,) Ш
При не слитком малых мощностях генерации ( ^0,1 мВт) даже для инжекционных лазеров, имеющих очень низкую добротность (~Ю4), Ыф 5 І& и СЫх-Ы^Шг по порядку величины близко к единице, так что
Реп- 7-~гРЕ - - ПспРоЫо (1.6)
(Ыг.-Ы<)Мф
где?по определению}фактор степени инверсии равен
- ІЗ -
А4- А/|
Л/г
т.е. отношению мощности спонтанного излучения Б моду к мощности стимулированного излучения (за вычетом резонансного погло-
чае идеальной инверсии, он равен I. Мощность спонтанного шума
го же уровня усиления разность должна оставаться пос-
тоянной, что означает необходимость увеличения и приводит к росту спонтанного шума в моду. Другими словами, фактор степени инверсии показывает во сколько раз мощность спонтанного шума увеличена из-за ненулевой населенности нижнего уровня. Подставляя (6) в (2) получим &иіл=МгР°І(и1-Ні)М2'ксЛ , что с учетом соотношения А/=Т Ро/Іїи) приводит к формуле для ширины линии генерации (в Гц)
кости соответствует вращению вектора Е0 с угловой частотой СО . В системе координат, вращающейся с той же угловой скоростью, этот вектор неподвижен.
В отсутствии спонтанных шумов когерентное поле в резонаторе лазера в стационарном режиме можно представить таким вектором. Спонтанные фотоны, постоянно излучаемые в рабочую моду, изменяют амплитуду и фазу когерентного поля (см. рис. 4 ).
Амплитуда поля , соответствующая одному спонтанному фотону, определяется соотношением
щения), приходящейся на один фотон. При ^1а-0 , т.е. в слу-
при этом минимальна. При возрастании АА для обеспечения то-
Дадим теперь краткое изложение более строгого подхода. Монохроматическое поле Е^ехр 1(и)Л + ^Р°) На комплексной плос-
С < (ьЕ = І и)
(1.8)
- 14—
а фаза может принимать любое значение ( V - объем резонатора).
В стационарном устойчивом режиме генерации из-за эффекта насыщения изменение поля приводит к возникновению "силы", возвращающей амплитуду поля к значению, соответствующему устойчивому циклу. С другой стороны, для фазы поля нет выделенного устойчивого значения. По отношению к флуктуациям фазы система находится в безразличном равновесии. При постоянном притоке спонтанных фотонов вносимые ими нескоррелированные флуктуации фазы накапливаются по диффузионному закону. Именно этот механизм и приводит к уширению линии, описываемому формулой Шавло-ва-Таунса.
Как известно, спектральное распределение для поля лазера ^(об), т.е. искомый контур линии, определяется Фурье преобразованием функции автокорреляции
т
УГТ)=
Т-*оо
ЕпМ£п (ъ+Т)скЬ
(1.9)
-т
В условиях одночастотной генерации поле лазера можно предста-
Г7 ЕҐ.) +
вить в виде Ьп-кСч£ . Пренебрежем флук-
туациями амплитуды, т.е. положим £(*)=£/*+£) = £о (общий
случай будет рассмотрен ниже).
Тогда
= Е„£ і" І1*(1-Ю)
оо
-Т
где - набег фазы за время X
усреднения по времени к усреднению по ансамблю
Ьт±}1-»Л.«£*>-Ъ
2Т -т .г*
Перейдем от
(І.И)
- 15 -
где №)(№ вероятность того, что значение Ф лежит в интервале {ф, ф + с(Ф ), Распределение вероятности дается извест-
ным решением задачи о случайных блужданиях, т.е. гауссовым распределением
РСФ) = С ЪЦ>[- | (Ы2)
где нормировочный множитель С-С^ \Г27г) \ определяемый из ус-
2.
ловия \Р(Ф)с(ф = i , а квадрат дисперсии 6= <Ф > линей-
-ОО
но возрастает со временем:
<Ф2> = -3*- < 8^> /т| в 1>/т/ с1-13)
В последнем выражении спонтанных фотоном в моду, - среднеквадратичное изме-
нение фазы, обусловленное одним фотоном.
Для нахождения <(. $ заметим, что при & Е « Ео ДЕ&мб/ Е„ (см. рис. { ). Значения 0 в пределах 2д
равновероятны, так что вероятность издучения спонтанного фотона со одвигом фазы относительно когерентного поля О в интервале (6'0+0(0) равна PCO)-c^6i /2ЛГ , и среднее <. 8 ^г>легко вычисляется:
Вернемся теперь к вычислению ( II )
00 1
< * с ] е'г ег (О&ф - с ъ*ф) <к> =
-оо
- е*р(- ё/г) . е*р(- <Фг>/2) (1.15)
интеграл, содержащий , равен 0 из-за нечетности под-
интегральной функции, а
- скорость поступления
- 16 -
Воздействие поля спонтанного фотона на когерентное
поле представленное во вращающейся системе координат
Рис. I
Рис. 2. Зависимость ширины линии генерации от обратной
мощности Р’1 , рассчитанная по формуле (1.30) при Л = 0,85 мкм, Р = I мВт, Псп = I» =0, И* = 4,5,
сЬ = Ю; 30; 50 см-'1, Ь = 0,2; 0,4; 0,6 мм
- Киев+380960830922