Исследование параметров полупроводниковых лазеров

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ЛАЗЕРОВ A.C. Златов, А.П. Кушнаренко (Санкт-Петербургский государственный университет) Научный руководитель - кандидат физико-математических наук О.В. Андреева

Приведены результаты исследования характеристик полупроводникового лазера типа KLM-650/3, выпускаемого фирмой «ФТИ-Оптроник», и их зависимости от тока через p-n-переход. Показано, что интенсивность излучения, степень его линейной поляризации и степень монохроматичности коррелируют между собой и характеризуют степень когерентности излучения. Обсуждается возможность использования полупроводникового лазера в различных режимах работы в качестве источника излучения в голографи-ческом эксперименте.

Введение

Традиционно в качестве непрерывных источников излучения в областях научно-технической деятельности, связанных с голографией, интерферометрией, физической оптикой и т.п., используют газовые лазеры, обладающие высокой когерентностью и поляризованностью излучения, малой расходимостью пучка. Как правило, подобные лазеры представляют собой дорогостоящие, а зачастую и уникальные приборы.

В ряде экспериментов требования к характеристикам излучения могут быть снижены, а качество измерений может быть обеспечено при использовании более дешевых источников излучения. Наиболее привлекательными с этой точки зрения являются полупроводниковые лазеры, широко распространенные в настоящее время. Параметры излучения промышленно выпускаемых лазеров (лазерных модулей) определяются свойствами используемых гетероструктур, конструктивными особенностями и условиями эксплуатации.

В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что определяет возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора 50 мкм - 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются: высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне (от 0,3 мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили полупроводниковым лазерам широкое применение в различных областях современной деятельности человека - 99,8% от всех выпускаемых в мире лазеров являются полупроводниковыми [1].

В настоящее время, несмотря на широкое распространение полупроводниковых лазеров, очень ограничена информация о параметрах лазеров различных типов. Ряд характеристик, имеющих большое значение для использования таких источников для научных исследований, производители не приводят и не контролируют. Данная работа посвящена исследованию свойств полупроводниковых лазеров типа KLM-650/3 (производитель «ФТИ-Оптроник», Санкт-Петербург) и их использованию в голографическом эксперименте.

Теоретическая часть

Полупроводниковый лазер - лазер, активной средой которого является полупроводниковый кристалл, а точнее, область р-п-перехода между двумя полупроводниковыми кристаллами с разным типом проводимости. В полупроводниках энергетические уровни атомов образуют сплошные полосы, разделенные запрещенными зонами (рис. 1). Нижняя полоса энергетических уровней называется валентной зоной, верхняя - зоной проводимости или свободной зоной. Чтобы электрон попал в зону проводимо-

сти, ему необходимо сообщить энергию, равную ширине запрещенной зоны. При уходе электрона в зону проводимости в валентной зоне остается носитель положительного заряда - «дырка». Обратный переход электрона из зоны проводимости в валентную зону приводит к его рекомбинации с «дыркой», избыток энергии при этом испускается в виде фотона.

У Цэ Ее Еу к ! ! р | р-И п Цэ Ее р ! р-И п Ее Еу

Цд Еу Цд

Ь

а

Рис. 1. Заселенность энергетическихуровней р-п-структуры полупроводника: рэ- уровень Ферми для электронов проводимости, рд- уровень Ферми для дырок, Ес- граница зоны проводимости, Бу- граница валентной зоны. а) Полупроводник изолирован от внешних полей. Ь) Полупроводниковая р-п-структура с инверсной заселенностью, созданной внешним электрическим полем

В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры (комбинация близких по химическому составу полупроводников, позволяющих создавать гетеропереходы), в разработку которых значительный вклад внес отечественный ученый Ж.И. Алферов (Нобелевская премия 2000 г.) [2]. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 2.

Рис. 2. Полупроводниковая двойная гетероструктура: 1 - проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2 - слой ОаДэ (п); 3 - слой Alo.3Gao.7As (п); 4 - слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (р-п-переход); 5 - слой Д10.^а0.^ (р); 6 - слой GaAs (р); 7 - непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через р-п-переход, формирующий зону генерации излучения; 8, 9 - прилегающие слои для создания электрического контакта; 10 - подложка

с теплоотводом

Активными частицами в полупроводниковом лазере служат избыточные (неравновесные) электроны проводимости и дырки, которые могут инжектироваться, диффундировать и дрейфовать в активной среде. В инжекционных полупроводниковых лазерах накачка (создание инвертированной заселенности уровней) осуществляется путем инжекции неосновных носителей через р-п-переход. Последующая их рекомбинация позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение. Параметры излучения (в первую очередь, его интенсивность -

рис. 3) зависят от интенсивности накачки, определяющей величину тока через р-п-переход. Параметры излучения полупроводникового лазера (как и величина оптического усиления) зависят также от температуры окружающей среды и ряда факторов, связанных со свойствами используемых материалов [3].

некогер ентно е когерентное уг ¿г

излучение излучение у^

т, / /

/ / * 1 1

Инжевционньш ток --

Рис. 3. Зависимость мощности излучения полупроводникового лазера от тока через р-п-переход при различной температуре

Зона проводимости

Прилегающий Активный Прилегающий слой

Валентная зона

У

Е

ца

Рис. 4. Энергетическая схема двойной гетероструктуры. Ось У и номера слоев соответствуют рис. 2. ДЕдс- ширина запрещенной зоны; ДЕд„- ширина запрещенной

зоны р-п-перехода

Основой инжекционного полупроводникового лазера является полупроводниковый кристалл (рис. 5), две плоскопараллельные грани которого, перпендикулярные плоскости р-п-перехода, являются зеркалами оптического резонатора. Генерация излучения возникает в том случае, если оптическое усиление превосходит потери энергии, связанные с выводом излучения наружу, поглощением и рассеянием внутри резонатора. Ток, соответствующий началу генерации, называется пороговым.

Рис. 5. Принципиальная схема полупроводникового лазера: 1 - область р-п-перехода (активный слой); 2 - сечение лазерного пучка в плоскости Х-У

Генерируемое излучение имеет вид полоски, вытянутой вдоль р-п-перехода, и обладает довольно большой расходимостью, так как длина резонатора очень мала и малы

размеры выходного окна. Для формирования лазерного пучка малой расходимости используются оптические системы, встроенные в корпус и жестко связанные с резонатором.

Полупроводниковый кристалл-резонатор с оптической системой, формирующей лазерный пучок, конструктивно оформленные в виде единого элемента, в настоящее время принято называть лазерным модулем. Готовый к работе полупроводниковый лазер представляет собой лазерный модуль с источником питания. (Газовые гелий-неоновые лазеры также состоят из двух частей: головка лазера и блок питания).

В данной работе исследована зависимость параметров излучения полупроводникового лазера в зависимости от тока через переход и рассмотрена возможность использования полупроводниковых лазеров (в различных режимах эксплуатации) для измерения параметров объемных голограмм, предъявляющих специфические требования к используемым источникам излучения.

Объект исследования

Объектом исследования является полупроводниковый инжекционный лазер на основе лазерного модуля КЬМ-650/3 (производитель - «ФТИ-Оптроник», Санкт-Петербург). Характеристики лазера: длина волны излучения - 650±5 нм, мощность излучения - 3 мВт, расходимость излучения - менее 0,5 мрад, режим питания - 3-4,5 В.

Как было показано в предыдущей части, свойства излучения полупроводниковых инжекционных лазеров, включая интенсивность излучения (рис. 3), зависят от величины тока, протекающего через р-п-переход. Поэтому для питания лазерного модуля была использована схема, представленная на рис. 6, которая позволяла регулировать ток через р-и-переход. Напряжение от источника питания (Цип) через резисторы Ю и Я2 подается на лазерный модуль, при этом через р-и-переход начинает протекать ток 1р.п, от величины которого зависит интенсивность генерируемого излучения. В работе величина тока 1лм определялась по падению напряжения, которое измерялось вольтметром VI на известном сопротивлении Я.!.

Рис. 6. Электрическая схема, используемая для питания лазерного модуля КЬМ-650

Экспериментальные данные

Зависимость интенсивности излучения лазера от тока через р-п-переход. Для

снятия данной зависимости была использована установка, изображенная на рис. 7, с двумя узлами: узел источника излучения (слева) и узел приемника излучения (справа). В качестве приемника излучения был использован фотодиод ФД-24К с измерительным прибором (^). Полученная экспериментальная зависимость приведена на рис. 8.

При малых плотностях тока через р-п-переход интенсивность излучения невелика, оно некогерентно и немонохроматично. При увеличении плотности тока, когда число фотонов, возникающих при рекомбинации, превышает число фотонов, поглощаемых в

веществе (пороговое значение тока), интенсивность излучения резко возрастает - оно становится когерентным, в связи с чем изменяются и другие его характеристики - степень поляризации и степень монохроматичности, о чем будет сказано далее.

Рис. 7. Экспериментальный стенд для проведения измерений зависимости интенсивности излучения и степени его поляризации от тока через р-п-переход

Рис. 8. Зависимость характеристик излучения полупроводникового лазерного модуля KLM-650 от тока, протекающего через р-п-переход: 1 - интенсивность

Поляризация излучения лазера и ее зависимость от тока через р-п-переход.

Измерения зависимости степени поляризации излучения лазера от тока через р-п-переход были проведены на установке, представленной на рис. 7. Схема измерения включала, кроме источника и приемника излучения, также анализатор (поляроид), расположенный между ними. С помощью анализатора определялась степень линейной поляризации излучения по формуле

Р =-,

где /ц - значения интенсивности лазерного излучения, прошедшего анализатор при условии совпадения колебаний электрического вектора линейно поляризованной компоненты излучения с оптической осью поляризатора; /± - интенсивность компоненты, линейно поляризованной ортогонально оптической оси поляризатора.

Полученные зависимости представлены на рис. 8 (кривая 2) и на рис. 9.

Как видно из полученных данных, в номинальном режиме работы излучение лазера практически полностью линейно поляризовано. Как известно [3], степень поляризации излучения лазера определяется поляризационной селективностью резонатора, а также геометрией и размерами «выходного окна» в области р-п-перехода и зависит от мощности генерируемого излучения. В связи с этим можно предполагать, что снижение степени поляризации при уменьшении тока через р-п-переход коррелирует со снижением степени когерентности лазерного излучения, как это следует из теоретического рассмотрения.

I, отн. ед.

500

400 300 200 100 0

=15,1 тА =27,9 тА =30,1 тА =32,4 тА 35,7 тА =39,6 тА

10 20 30 40 50 60

70

80

90 а,град.

0

Рис. 9. Зависимость интенсивности излучения лазера от угла поворота анализатора при различных значениях тока, протекающего через р-п-переход

Зависимость степени монохроматичности излучения лазера от тока через р-п-переход. Как известно, спектральные характеристики излучения лазера определяются уровнем накачки. Поэтому в данной работе спектральный состав излучения был исследован при различных значениях тока через р-п-переход.

Принципиальная схема эксперимента для исследования спектральных характеристик излучения лазерного модуля дана на рис. 10. При проведении измерений излучение исследуемого лазера (1) проходит через нейтральный фильтр (3) и попадает на входную щель монохроматора МДР-3 (4), сигнал усиливается фотоэлектронным умножителем ФЭУ-100 (5), попадает на АЦП и регистрируется компьютером. Линейная дисперсия МДР-3 в красной области спектра обеспечивает разрешение 1,0 А. Спектральный состав исследуемого излучения в виде спектрограммы подвергался дальнейшей компьютерной обработке.

Рис. 10. Схема экспериментальной установки для исследования зависимости спектральных характеристик излучения лазерного модуля от тока через р-п-переход. 1 - полупроводниковый лазерный модуль, 2 - питание лазерного модуля, а - потенциометр, б - батарея, 3 - фильтр, 4 - монохроматор (МДР-3), 5 - ФЭУ-100,

6 - АЦП, 7 - компьютер

Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 11. Как видно из приведенных экспериментальных данных, представляющих собой серию измерений, проведенных в идентичных условиях, спектральный состав излучения лазера может значительно изменяться при изменении величины тока через p-n-переход, при этом центр спектрального интервала не сдвигается и находится при l = 652 нм. Ширина спектрального интервала (Al) определялась по полуширине спектрального распределения и приведена на рис. 11.

Спектральный состав излучения лазера принято характеризовать степенью монохроматичности излучения Al/l. Зависимость этой величины от тока через переход приведена на рис. 8 (кривая 3). В номинальном режиме работы лазер имеет степень монохроматичности 5-10-4, что типично для лазеров данного типа. В режиме работы свето-диода ширина спектрального интервала излучения лазерного модуля может достигать 15 нм и более.

Как следует из полученных экспериментальных данных, при изменении тока через р-п-переход изменяются такие важные характеристики излучения лазера, как его интенсивность, степень линейной поляризации, степень монохроматичности. Изменения перечисленных характеристик коррелируют между собой и, несомненно, коррелируют с изменением степени когерентности излучения, как это следует из теоретического рассмотрения.

Рис. 11. Спектральный состав излучения полупроводникового лазерного модуля КЬМ-650 при различных значениях тока, протекающего через р-п-переход. За единицу относительной интенсивности принята максимальная интенсивность кривой 6. Максимальная интенсивность кривой 7 составляет 20 отн. ед.

Возможность использования полупроводникового лазера для исследования параметров объемных голограмм-решеток

Традиционно в качестве непрерывных источников излучения в голографии используют газовые лазеры, обладающие высокой когерентностью и поляризованностью излучения, малой расходимостью пучка. Подобные лазеры представляют собой дорогостоящие приборы и в первую очередь необходимы для записи голограмм.

При исследовании голограмм и измерении ряда параметров требования к характеристикам излучения могут быть снижены, а качество измерений может быть обеспечено при использовании более дешевых источников излучения. С этой точки зрения были проанализированы параметры излучения полупроводникового лазера и рассмотрена возможность использования таких лазеров для измерения параметров объемных голо-

грамм, предъявляющих специфические требования к используемым источникам излучения.

Для измерения параметров объемных голограмм, обладающих высокой селективностью, необходимо использовать излучение, пространственная расходимость которого существенно меньше угловой селективности исследуемой голограммы. Поэтому стандартные приборы неприменимы. Удовлетворить данному требованию можно при использовании коллимированного, как правило, лазерного излучения.

На практике используются два основных метода исследования объемных голограмм, которые формируют требования к освещающему излучению.

1. Освещение голограммы проводится монохроматическим излучением, спектральный состав которого существенно меньше спектральной селективности голограммы. Этот метод используется при исследовании угловой селективности голограммы.

2. Освещение голограммы проводится широкополосным излучением, спектральный состав которого значительно больше спектральной селективности голограммы. Этот метод используется при исследовании спектральной селективности голограммы.

Измерение угловой селективности. Для измерения угловой селективности объемных голограмм используется режим генерации когерентного излучения, при котором ширина спектра менее 0,3 нм, а расходимость пучка не превышает 0,5 мрад. Методика измерений описана в работе [4]. В данной работе регистрировалась зависимость интенсивности дифрагированного излучения от угла падения освещающего излучения на поверхность голограммы /д(0). Значение угловой селективности (А9) определяется из контура угловой селективности /д(0) по уровню 0,5 от максимального значения. Как показали измерения, проведенные с использованием полупроводникового лазера КЬМ-650 и газового гелий-неонового лазера ЛГН, полупроводниковый лазер можно использовать наравне с газовым при исследовании голограмм-решеток с угловой селективностью не ниже 2 мрад (голограммы-решетки с пространственной частотой порядка 300 мм -1 и толщиной порядка 1мм).

Измерение спектральной селективности. Для измерения спектральной селективности объемных голограмм был использован режим, при котором спектральный состав излучения полупроводникового лазера равен 9,5 нм, а угловая расходимость менее 0,5 мрад.

Принципиальная схема эксперимента аналогична схеме для измерения спектрального состава излучения (рис. 10) и описана в работе [5].

Для измерения спектральной селективности исследуемая голограмма устанавливается на место светофильтра в положение, когда дифракция на решетке отсутствует. При отсутствии дифракции излучение проходит голограмму без изменений. Производится запись спектрального распределения интенсивности излучения лазерного модуля (спектр №1). Далее голограмма устанавливается в положение, соответствующее выполнению условия Брэгга для длины волны в центральной части спектра источника излучения. Производится запись прошедшего голограмму излучения 10_вг (спектр №2). Спектр дифрагированного излучения 1д(1) получается путем вычитания спектра №2 из спектра №1 (спектр №3) и учета спектральной интенсивности исходного излучения и чувствительности установки (спектр №4). Значение спектральной селективности (АХиЗМ) определяется из контура спектральной селективности (спектр №4) по уровню 0,5 от максимального значения.

Результаты измерений спектральной селективности объемных голограмм-решеток с различной пространственной частотой представлены в табл. 1. Представлены также результаты измерений угловой селективности и расчетов спектральной селективности (А1расч) по данным измерения угловой селективности.

Рис. 12. Спектральное распределение интенсивности излучения, прошедшего через голограмму. 1 - Лвг вне рассматриваемой спектральной области, 2 - ЛВг внутри рассматриваемой спектральной области, 3-дифференциальный спектр, соответствующий разности спектров 1 и 2; 4 - рассчитанный контур спектральной селективности голограммы

Параметры объемных голограмм

Измеренные Рассчитанные

Образец № V, мм"1 Д9, мрад Д1изм, НМ Д1расч, НМ

1 640 1,60±0,05 5,3±0,4 4,9±0,3

2 640 1,50±0,05 4,5±0,4 4,7±0,2

3 790 0,90±0,05 3,4±0,4 2,8±0,3

4 1100 0,50±0,05 1,3±0,4 1,5±0,2

Таблица 1. Экспериментальные результаты

Как видно из приведенных данных, измеренные в данной работе значения спектральной селективности (АХиЗМ) совпадают в пределах погрешностей измерений с величинами, рассчитанными по данным измерений угловой селективности (ДХрасч), что говорит о достоверности полученных данных.

Разработанная методика позволяет использовать в схемах для голографических измерений относительно дешевые и доступные полупроводниковые источники излучения, в то время как известные методики измерений спектральной селективности объемных голограмм используют в качестве источников излучения такие уникальные приборы, как фемтосекундный лазер [6] и лазер на красителе с эксимерной накачкой [7].

Заключение

В работе проведены исследования характеристик полупроводникового лазера типа КЬМ-650/3, выпускаемого фирмой «ФТИ-Оптроник», для использования таких источников излучения в научном эксперименте.

Разработана методика измерения спектральных характеристик излучения полупроводникового лазера, получены экспериментальные результаты, позволяющие оценить ширину спектра излучения при различных режимах работы лазерного модуля.

Получены экспериментальные зависимости интенсивности излучения лазерного модуля, степени его линейной поляризации и степени монохроматичности от тока через р-и-переход. Показано, что данные зависимости коррелируют между собой и характеризуют степень когерентности излучения.

Приведены результаты использования полупроводникового лазера в различных режимах работы для исследования параметров объемных голограмм-решеток.

Разработанные методики являются основой для дальнейшего исследования характеристик полупроводниковых лазеров и лазерных модулей различных типов. Несо-

мненно, это послужит более широкому использованию полупроводниковых лазеров как наиболее доступных источников когерентного монохроматического излучения в научном эксперименте и других научно-технических приложениях.

Литература

1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. Прохоров A.M. 4-е изд. М.: БольшаяРоссийскаяэнциклопедия, 1998. С. 570-572.

2. Алферов Ж.И. Перспективы электроники в России. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника. // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2004. №6. С. 90-93.

3. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984.

4. Андреева О.В., Бандюк О.В., Парамонов A.A. и др. Объемные пропускающие голограммы в полимерной среде с фенантренхиноном. // Оптический журнал. 2000. Т.67. №12. С. 27-33.

5. Андреева О.В., Артемьев C.B., Капорский Л.Н., Кушнаренко А.П. Использование полупроводниковых источников излучения при исследовании спектральной селективности объемных голограмм. // Оптический журнал. 2005. Т. 72. №3. С. 31-33.

6. Андреева О.В., Беспалов В.Г., Васильев В.Н., Городецкий A.A., Кушнаренко А.П., Лукомский Г.В., Парамонов A.A. Исследование спектральной селективности объемных голограмм с помощью импульсного излучения фемтосекундной длительности. // Оптика и спектроскопия. 2004. Т.96. №2. С. 190-196.

7. Суханов В.И., Ащеулов Ю.В., Петников А.Е., Лашков Г.И. Трехмерная голограмма на реоксане как узкополосный спектральный селектор. // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. Вып.15. С. 925-928.

Авторы выражают благодарность руководителю работы О.В. Андреевой и сотрудникам, которые принимали участие в проведении эксперимента - Л.Н. Капорско-му, A.A. Парамонову, C.B. Артемьеву, О.В. Бандюк.