Оптические резонансные свойства активной области

Эффект усиления амплитуды электромагнитной волны совместно с обеспечением оптической положительной обратной связи делает лазер оптическим осциллирующим генератором. Стационарные во времени осцилляции достигаются, когда факторы, обеспечивающие генерацию света, достигают значений, которые компенсируют оптические потери в активной области лазера. Дальнейшие требования существования устойчивых колебаний состоит в согласованности амплитудно-фазовых характеристик распространяющихся в рабочем объеме электромагнитных волн.

Это хорошо иллюстрируется в одномерной модели распространения световой волны в резонаторе Фабри-Перо, когда имеются две параллельные отражающие плоскости в полости, в которой распространяется плоская электромагнитная волна. Эта волна, распространяющаяся от задней отражающей стенки (z=0) по направлению к фронтальной стенке может быть представлена в виде:

, (19)

где E₀ – напряженность поля у задней стенки, g – коэффициент усиления световой волны, α – коэффициент поглощения, β=2πn/λ_m – волновое число для световой волны моды m, n – показатель преломления активной области.

Волна, отразившись от передней стенки, возвращается обратно, потеряв при этом часть мощности.

, (20)

где R_f – коэффициент отражения от передней стенки.

Затем волна снова отражается от задней стенки при z=0, теряет часть мощности на отражение от этой стенки и снова распространяется к передней стенке полости.

. (21)

В случае, когда световая волна без потерь распространяется от z=0 до z=L и обратно, должно выполняться условие:

, (22)

что непосредственно приводит к двум уравнениям:

(23)

(24)

Из (22) следует, что 2βL=m – целое число, или λ_m=4πnL/m. Полученное соотношение определяет возможные длины волн (моды), распространяющиеся в активной области лазера. Для основной моды (m=1) λ=4πnL.

С другой стороны, уравнение (23) дает:

, (25)

т.о., коэффициент усиления света, необходимый для обеспечения устойчивой генерации должен быть больше чем .

Оптическую обратную связь, требуемую для осуществления лазерной генерации, можно создать, ограничив активную область двумя оптически плоскими отражающими поверхностями, т.е. придав ей вид интерферометра Фабри-Перо. Эти поверхности должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости перехода, так что отраженный свет остается в активной области. Поскольку показатели преломления полупроводников высоки (n≈3-4), то их отражательная способность достаточно высока, и для достижения генерации света не обязательно обеспечивать высокую отражательную способность задней грани, если только не требуется получить очень низкий порог генерации или одностороннее излучение. Высокую отражательную способность можно осуществить, например, нанесением металлического покрытия на заднюю грань полупроводникового диода. Другим приемом является создание решетки Брегга для обеспечения минимального светового отражения от соответствующей области полупроводникового диода. Поскольку спектральная область, в которой имеет место усиление световых волн, довольно широка, а на длине резонатора L укладывается много длин волн (L≈1000 - 10000λ), то значительное количество длин волн λ_m может одновременно генерироваться в активной области лазера.