Лабораторная работа «Исследование основных параметров полупроводникового лазера» Цель работы: изучить принципы работы полупроводникового лазера (ПЛ) и провести измерение его основных параметров. Приборы и принадлежности: полупроводниковый инжекционный лазер на основе лазерного модуля KLM-650 и лазерного модуля LD Основные понятия по теме Полупроводниковый лазер – лазер, активной средой которого является полупроводниковый кристалл, а точнее, область p-n-перехода между двумя полупроводниковыми кристаллами с разным типом проводимости. В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковом лазере используются излучательные квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами, а не дискретными уровнями энергии (рис.1). В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что обуславливает возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора ПЛ 50мкм-1мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, особенностями ПЛ являются: малая инерционность ( 10-9с),высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне (от 0,3мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили ПЛ широкое применение в различных областях современной деятельности человека – 99,8% от всех выпускаемых в мире лазеров являются полупроводниковыми. э Ec p p-n э n p-n n Ec Ev Ev Ec д Ev a p b д –+ Рис. 1. Заселённость энергетических уровней p-n-структуры полупроводника. μэ-уровень ферми для электронов проводимости, μд-уровень ферми для дырок, Еc-граница зоны проводимости, Ev-граница валентной зоны, a) Полупроводник изолирован от внешних полей. b) Полупроводниковая p-n-структура с инверсной заселённостью, созданной внешним электрическим полем. В современных ПЛ 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 года). Пример двойной гетероструктуры приведен на рис.2. Активными частицами в ПЛ служат избыточные (неравновесные) электроны проводимости и дырки, которые могут инжектироваться, диффундировать и дрейфовать в активной среде. В инжекционных ПЛ накачка (создание инвертированной заселенности уровней) осуществляется путем инжекции неосновных носителей через p-n-переход. Последующая их рекомбинация позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение. Параметры излучения (в первую очередь его интенсивность) зависят от интенсивности накачки, определяющей величину тока через p-n-переход. Параметры излучения ПЛ (как и величина оптического усиления) зависят также от температуры окружающей среды и ряда факторов, связанных со свойствами используемых материалов. Рис.2. Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом. Зона проводимости E ΔЕgc Прилегающий слой (2) ΔЕga Активный Прилегающий слой (3,4,5) слой (6) Валентная зона Y Рис.3 Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис.2. ΔЕgc-ширина запрещённой зоны; ΔЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода; Основой инжекционного ПЛ является полупроводниковый кристалл (рис.4), две плоскопараллельные грани которого, перпендикулярные плоскости p-nперехода, 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. 4. Принципиальная схема лазера на p-n-переходе. 1-область p-n-перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости Х-Y. Генерируемое излучение имеет вид полоски, вытянутой вдоль p-n-перехода и обладает довольно большой расходимостью, так как длина резонатора очень мала. 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). UФП, мВ некогерентное излучение Измерение тока через p-n-переход производится косвенным образом вольтметром V1 измеряется падение напряжения на резисторе R1 (UПЛ), через который протекает ток p-n-перехода (Ipn). Регулировка тока Ipn производится потенциометром RП (переменное сопротивление), а его значение вычисляется по закону Ома. Узел №2, узел фотоприемника (ФП), в качестве которого используется фотодиод ФД-24К, работающий в фотогальваническом режиме. Под воздействием светового потока, падающего на входное окно фотоприемника, возникает фотоэдс, измеряемая вольтметром V2 (UФП). Величина UФП прямо пропорциональна интенсивности лазерного излучения в исследуемом диапазоне значений интенсивности. Типичная зависимость интенсивности лазерного излучения от величины тока, протекающего через p-n-переход, приведена на рис.6. 0 когерентное излучение Iпор. Iном. Ipn, мА Рис.5. Зависимость интенсиивности излучения лазера от тока, протекающего через pn-структуру. Iпор. – величина порогового тока; Iном. – величина номинального тока. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Собрать схему представленную на рисунке 6. Узел №1 Узел №2 V1 Rп + - R1 p n ИП ПЛ h R2 V2 ФП Т Рис.6. Принципиальная электрическая схема установки для исследования зависимости интенсивности излучения лазера от величины тока, протекающего через p-n-переход. ПЛ - полупроводниковый лазер; ФП - фотоприёмник. ИП - выход к источнику питания постоянного тока; R1, R2 - постоянные сопротивления, Rп - переменное сопротивление (потенциометр); Т – тумблер для включения и выключения питания лазера; V1, V2 – приборы для измерения напряжения; 2. Включить лазер, переключив тумблер (Т) в положение «Вкл». 3. Поставить перед узлом №2 вспомогательный экран (лист белого картона) для наблюдения формы и структуры лазерного пучка. 4. Изменяя сопротивление RП (ручка регулировки расположена на верхней поверхности блока лазера), проследить, как изменяется форма пучка и его интенсивность. 5. Включить измерительные приборы V1 и V2 и установить режим измерения напряжения. 6. Установить фотоприемник (Узел №2) таким образом, чтобы лазерный пучок попадал в центр фотоприемника (фотодиод ФД). Убедитесь, что щелевая диафрагма, установленная перед ФД, полностью раскрыта. 7. Изменяя ток через p-n-переход потенциометром RП, (в максимально возможном интервале значений) снять показания прибора V1 (UПЛ) и показания прибора V2 (UФП), необходимые для построения зависимости UФП от пер. Данные заносить в таблицу 1. 8. Выключить лазер, переключив тумблер (Т) в положение «Выкл». 9. Выключить измерительные приборы V1 и V2 . 10.Записать значение R1, необходимое для проведения расчетов. Данные показать преподавателю Таблица 1. Данные для построения зависимости интенсивности излучения лазера от тока, протекающего через p-n-переход. № изм. Прибор V1 UПЛ,мВ Ipn,мА Прибор V2 UФП,мВ 1 2 … 11.Рассчитать величину тока через p-n переход для каждого значения UПЛ, используя закон Ома: 𝐼𝑝𝑛 = 𝑈ПЛ ⁄𝑅1 Результаты вычислений занести в таблицу 1. 12.Построить график зависимости UФП от Ipn. 13.Определить параметры лазера: Величина порогового тока – пор Величина номинального тока -ном Максимальная интенсивность пучка лазера –(UФП)max Данные занести в таблицу 2. 14.Рассчитать мощность излучения лазера по формуле 𝑃 = 𝑘 ∙ (𝑈ФП )𝑚𝑎𝑥 Где k – коэффициент. (В данной работе использовать k = 7,5 мВт/В). 15. Провести сравнение параметров двух типов полупроводниковых лазеров. (При исследовании разных типов лазеров экспериментальные зависимости представить для лучшего сравнения на одном графике.) Таблица 2. Сравнительные характеристики полупроводниковых лазеров различного типа. Характеристика Лазер KLM Лазер DL Величина порогового тока – пор, мА Величина номинального тока -ном, мА Максимальная интенсивность пучка лазера – (UФП)max, мВ Мощность излучения лазера, мВт Содержание отчета -схема измерительной установки; -таблицы и графики полученных зависимостей; -выводы. Ответить на следующие контрольные вопросы: -объясните устройство ПЛ; -что служит активными частицами в ПЛ; -принцип полупроводниковых гетероструктур; -Пороговый ток; -Номинальный ток; Литература: 1. О. Звелто «Принципы лазеров», М.,Мир, 1984г. 2. К.И.Крылов, В.Т.Прокопенко, В.А.Тарлыков «Основы лазерной техники», Машиностроение, 1990г. 3. П.Г.Елисеев «Введение в физику инжекционных лазеров». М., Наука, 1983. 4. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М., Радио и связь, 1995г., 120с.
