Ватт-амперная характеристика

Как известно из радиотехники, для осуществления генерации коэффициент усиления системы должен быть

равным коэффициенту полных потерь или превышать его.

Энергия, поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент усиления лазерного активного элемента на частоте генерации равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте, называется порогом генерации.

Характерные признаки преодоления порога:

- повышение интенсивности выходящего из зеркал резонатора излучения на два-три и более порядков с ростом накачки на 10–20 % по отношению к порогу;

- резкое сужение направленности излучения и появление в картине дальнего поля структуры мод;

- появление в спектре излучения одной или нескольких линий, разность частот между которыми соответствует собственным колебаниям резонатора;

- появление в картине ближнего поля, т.е. на поверхности зеркал резонатора, на фоне однородного свечения ярких пятен;

- временные осцилляции излучения, особенно при генерации двух и более мод, а также скачкообразное изменение структуры мод.

В целом до порога лазер работает как квантовый усилитель, и можно установить однозначную связь между спектром его излучения и спектром спонтанной люминесценции. После преодоления порога такая связь утрачивается, спектр генерации определяется собственными типами колебаний резонатора, спектром усиления, коэффициентом потерь и скоростью накачки.

В идеальном однородном слое, находящемся при постоянной температуре, после преодоления порога скорости люминесценции и неоптических переходов остаются постоянными и не зависят от накачки. Поэтому всякое увеличение скорости накачки будет компенсироваться равным увеличением скорости генерации.

Типичная зависимость мощности генерации лазерного диода от тока накачки представлена на рис. 1.5.

Как правило, после преодоления порога до некоторого тока I₁ наблюдается суперлинейный рост мощности генерации. Ток I₁ обычно незначительно превышает порог: I₁ »»1,1 I_п. Линейный участок функции P(I) во многих случаях бывает достаточно большим, до 10 I_п. Мощность генерации

Рис. 1.5. Ватт-амперные характеристики лазерных (ЛД)

и светоизлучающих диодов (СИД)

на линейном участке возрастает на несколько порядков. Линейный участок представляет наибольшую практическую ценность. Это рабочий участок, в частности, для кодирования информации, передаваемой по лазерному лучу. С дальнейшим увеличением тока I > I₂ рост мощности генерации замедляется, а при I > I₃ наступает её резкое падение.

Главная, но не единственная причина падения мощности генерации - повышение температуры диода, сопровождаемое быстрым ростом порога генерации, деформацией зеркал резонатора, увеличением внутренних оптических потерь. Очевидно, работа лазера в условиях перегрева не представляет практического интереса.

Ватт-амперная характеристика, показанная на рис. 1.5, выражается гладкой кривой. Однако во многих случаях вследствие нестабильности самого процесса генерации, когда меняются пространственные и спектральные характеристики излучения, на графике зависимости P(I) могут появляться разрывы, горизонтальные участки и другие особенности.

Такой ступенчатый характер зависимости P(I) можно объяснить скачкообразным изменением коэффициента внутренних оптических потерь, скачкообразным изменением внутреннего квантового выхода генерации или тем и другим одновременно.

Одна из важнейших задач квантовой электроники – понижение порога и повышение мощности генерации. Поиски путей решения этих задач связаны с изучением каналов потерь энергии в лазерах.

Дата добавления: 2015-10-26