СПОСОБ ОТБРАКОВКИ КВАНТОВО-КАСКАДНЫХ ЛАЗЕРОВ
METHOD FOR CLEARING QUANTUM CASCADE LASERS

Изобретение относится к относится к оптоэлектронной технике, а именно к методам контроля характеристик устройств генерирующих лазерное излучение в среднем инфракрасном диапазоне длин волн от 4 до 9 мкм.
Известен способ отбраковки квантово-каскадных лазеров (см. заявку DE 10042022 A1, МПК H01S 5/06808, опубликована 07 марта 2002 года), включающий пропускание через лазерный диод импульса тока ниже порогового значения, параллельное измерение падения напряжения на лазерном диоде, сравнение полученного значения с калибровочной кривой. Отличие измеренного напряжения от калибровочного указывает на величину нагрева или охлаждения лазерного диода, так как падение напряжения связано с величиной запрещенной зоны активной области. Соответственно при нагреве происходит уменьшение ширины запрещенной зоны, что ведет к уменьшению величины падения напряжения на лазерном диоде, при охлаждении наоборот происходит увеличение ширины запрещенной зоны и соответственно увеличение величины падения напряжения на лазерном диоде. Отбраковку при использовании такого метода можно вести по степени нагрева образцов до включения лазерной генерации.
Недостатками известного способа отбраковки квантово-каскадных лазеров является необходимость предварительной калибровки ККЛ.
Известен способ отбраковки квантово-каскадных лазеров (см. K. Pierscinski, D. Pierscinska, М. Iwinska, K. Kosiel, A. Szerling, P. Karbownik, and M. Bugajski, "Investigation of thermal properties of mid-infrared AlGaAs/GaAs quantum cascade lasers", Journal Of Applied Physics, v. 112, 043112 (2012)), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает подачу на лазер импульса тока прямоугольной формы с амплитудой, соответствующей рабочему току, с длительностью более 10 мкс, освещение выходного зеркала квантово-каскадного лазера перпендикулярно к его поверхности лазерным излучением гелий-неонового лазера, регистрация интенсивности отраженного от выходного зеркала квантово-каскадного лазера сигнала, определение относительной температуры нагрева активной области квантово-каскадного лазера по формуле ΔT=κ*ΔR/R, где κ - коэффициент термоотражения, a ΔR - изменения коэффициента отражения по сравнению с величиной коэффициента отражения до пропускания тока, отбраковку квантово-каскадных лазеров с относительной температурой нагрева ЛТ активной области более 150К.
Недостатком известного способа-прототипа является невозможность определения температурных параметров лазера при коротких импульсах накачки и высокой скважности (отношению длительности импульса к периоду следования импульса), таким образом невозможно проводить отбраковку квантово-каскадных лазеров, сконструированных в импульсном режиме накачки (короткая длительность импульса менее 1 мкс и высокая скважность).
Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа отбраковки квантово-каскадных лазеров, который бы обеспечивал расширение области применения.
m
Поставленная задача решается тем, что способ отбраковки квантово-каскадных лазеров включает подачу на лазер импульса тока прямоугольной формы с амплитудой, соответствующей рабочему току, с длительностью по уровню на половине от максимальной амплитуды в интервале 50-1000 нс, пропускание выходного излучения лазера через спектральный прибор с дисперсионным элементом, размер входной и выходной щелей которого выбирается таким образом, чтобы иметь спектральное разрешение не менее чем в два раза лучше спектрального расстояния Δλ между продольными лазерными модами с длиной волны генерации λ, где m - целое число, которое удовлетворяет соотношению:
где n - эффективный показатель преломления лазерного волновода, L - длина лазера, λ - длина волны, соответствующая максимуму спектра генерации лазера, измерение зависимости вышедшего из спектрального прибора с дисперсионным элементом излучения лазера от времени через равные спектральные промежутки, которые выбираются таким образом, чтобы в значение Δλ укладывалось не менее 5 спектральных шагов, при этом спектральный диапазон измерений составляет не менее 20 нм вблизи максимума спектра генерации лазера, определение скорости нагрева активной области лазера из зависимости интенсивности выходного излучения лазера от времени и длины волны генерации продольной моды резонатора по следующему закону:
m
т
где ∂λ/∂t - скорость изменения длины волны генерации продольной моды в процессе лазерной генерации, n - коэффициент термического изменения показателя преломления лазерного волновода, отбраковку квантово-каскадных лазеров со скоростью нагрева активной области более 0,05 К/нс.
Новым в настоящем способе является тот факт, что предлагаемый способ позволяет отслеживать скорость нагрева активной области квантово-каскадных лазеров работающих в импульсном режиме генерации с высокой скважностью, что не позволяют известные на данный момент способы.
Измерение скорости нагрева активной области лазера позволяет определить качество прибора и отбраковать перегревающиеся приборы, так как перегрев приводит к их быстрому выходу из строя.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, представленными с целью иллюстрации, но не для ограничения, где:
на фиг. 1 приведена экспериментальная зависимость интенсивности вышедшего из спектрального прибора с дисперсионным элементом излучения успешно прошедшего тест на отбраковку квантово-каскадного лазера от времени длины волны;
на фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость интенсивности вышедшего из спектрального прибора с дисперсионным элементом излучения не прошедшего тест на отбраковку квантово-каскадного лазера от времени длины волны.
m
Настоящий способ отбраковки включает в себя подачу на лазер импульса тока прямоугольной формы с амплитудой, соответствующей рабочему току, с длительностью по уровню на половине от максимальной амплитуды в интервале 50-1000 нс, что в отличие от способа, описанного в прототипе, позволяет проводить отбраковку квантово-каскадных лазеров, сконструированных для работы в непрерывном, квазиимпульсном и импульсном режиме лазерной генерации. Минимальная длительность импульса тока прямоугольной формы с амплитудой, соответствующей рабочему току, с длительностью по уровню на половине от максимальной амплитуды 50 нс определяется тем, что она является типичным минимальным временем накачки квантово-каскадных лазеров, при этом не накладывает существенных требований к быстродействию фотоприемников, используемых для регистации излучения. Максимальная длительность импульса тока прямоугольной формы с амплитудой, соответствующей рабочему току, с длительностью по уровню на половине от максимальной амплитуды 1000 нс определяется тем, что при такой длительности дальнейший нагрев активной области лазера уже определяется не его характеристиками, а эффективностью отвода тепла от него. Излучение квантово-каскадного лазера проходит через спектральный прибор с дисперсионным элементом. Разрешение спектрального прибора определяется размерами входной и выходной щелей, поэтому их размер выбирается таким образом, чтобы итоговое разрешение спектрального прибора было не менее чем в два раза лучше, чем его межмодовое расстояние Δλ определяемое длиной резонатора L, по соотношению 1. Далее измеряется зависимость вышедшего из спектрального прибора с дисперсионным элементом излучения лазера от времени через равные спектральные промежутки, которые выбираются таким образом, чтобы в значение Δλ укладывалось не менее 5 спектральных шагов, что при обеспечивает достаточную точность измерений, но при этом не увеличивает трудоемкость процесса. Спектральный диапазон измерений составляет не менее 20 нм вблизи максимума спектра генерации лазера, что обеспечивает попадание в спектральный диапазон не менее 2-х мод резонатора квантово-каскадного лазера. Полученная зависимость позволяет определить скорость изменения длины волны генерации продольной моды в процессе лазерной генерации ∂λ/∂t по следующему выражению:
1
2
1
2
1
2
где λ - длина волны, где интенсивность излучения продольной моды резонатора квантового каскадного лазера впервые достигает половины от максимальной интенсивности рассматриваемой продольной моды, λ - длина волны, где интенсивность излучения рассматриваемой продольной моды снижается до половины от максимума интенсивности (той же продольной моды), t и t -времена выборки λ и λ соответственно. Для уточнения результатов измерение может быть проведено для нескольких продольных мод. Далее по выражению (2) определяется скорость нагрева активной. Если скорость нагрева превышает 0.05 К/нс, то лазер отбраковывается, так как при такой скорости нагрева происходит существенное снижение выходных характеристик в течение импульса накачки, а также быстрая деградация прибора.
т
m
T
-3
-1
Пример 1. Описанным выше способом была произведена отбраковка квантово-каскадных лазеров из партии для длины волны генерации вблизи 8 мкм. Были проведены калибровочные измерения из которых был определен коэффициент термического изменения показателя преломления n=2.2⋅10 К. По описанному выше методу была проведена отбраковка квантово-каскадных лазеров. Длительность импульса тока прямоугольной формы по уровню на половине от максимальной амплитуды с амплитудой рабочего тока 10 А составляла 120 нс. На фиг. 1 показана зависимость интенсивности вышедшего из спектрального прибора с дисперсионным элементом излучения успешно прошедшего тест на отбраковку квантово-каскадного лазера от времени через равные спектральные промежутки, которые выбирались таким образом, чтобы в значение Δλ=3 нм укладывалось 10 спектральных шагов, при этом спектральный диапазон измерений составлял 40 нм вблизи максимума спектра генерации лазера. Скорость изменения длины волны генерации продольной моды в процессе лазерной генерации ∂λ/∂t=0,03 нм/нс, что соответствовало скорости нагрева V=0,0062 К/нс.
m
T
Пример 2. Из всей партии квантово-каскадных лазеров один образец был отбракован по описанному выше методу. На фиг. 2 приведена полученная зависимость интенсивности вышедшего из спектрального прибора с дисперсионным элементом излучения, не прошедшего тест на отбраковку квантово-каскадного лазера, от времени и длины волны. Скорость изменения длины волны генерации продольной моды в процессе лазерной генерации ∂λ/∂t=0,3 нм/нс, а скорость нагрева составила V=0,06 К/нс. Как хорошо видно из фиг. 2, существенный нагрев отбракованного образца приводит к сильному снижению интенсивности излучения после нескольких десятков наносекунд, в тоже время у образца из примера 1, прошедшего отбраковку, интенсивность лазерного излучении остается постоянной на протяжении всего импульса накачки (фиг. 1).
Полученные результаты указывают на эффективность предложенного метода для отбраковки квантово-каскадных лазеров, а также обеспечивают расширение области применения способа по сравнению с прототипом.