Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
teoriya-polupr-lazerov.pdf
Скачиваний:
27
Добавлен:
12.02.2016
Размер:
1.23 Mб
Скачать

22

(а) (б)

Рис. 1.9. Временные зависимости плотности носителей заряда (а) и фотонов (б) при подаче прямоугольной ступеньки тока накачки: κn = 50 см1,

v = 9.4 × 109 см/с, τ = 5.2 нс, n0 = 1.46 × 1018см3, g = 2.2 × 1016 см2,

β = 0.001, j = 2.5 кА/см2, j = 1.04 кА/см2.

 

th

 

 

быть приближенно представлена в виде

 

 

n

 

 

R = τ

,

(1.32)

где τ – время жизни неравновесных носителей заряда. С учетом, что часть β от спонтанной рекомбинации вносит вклад в лазерную моду, окончательная система скоростных уравнений может быть записана следующим образом:

dn

=

j

n

vg(n n0)S,

(1.33)

 

dt

ed

τ

dS

 

 

 

 

 

n

 

 

= v (g(n n0) −κn) S + β

 

.

(1.34)

dt

τ

1.2.4.Анализ переходных процессов

Результаты численного интегрирования системы уравнений (1.33) и (1.34) методом Шихмана (прил.A.1.) при ступенчатом включении тока накачки представлены на рис.1.9. Как видно, установление режима стационарной генерации сопровождается переходным процессом.

Дальнейший анализ удобно проводить в пренебрежении вкладом спонтанной рекомбинации в лазерную моду. В условиях стационарной генерации коэффициент усиления равен коэффициенту потерь. Тогда, вводя плотность порогового тока jth = edτ n0 + κgn , для стационарной плотности генерируемых фотонов Sst получаем

Sst =

j jth

.

(1.35)

 

edvκn

 

23

(а)

(б)

Рис. 1.10. Зависимость постоянной времени затухания начальных пичков τr (а) и частоты релаксационных пульсаций νr = wr/2π (б) от плотности тока накачки j при различных коэффициентах потерь κn. Сплошной линией даны величины, получающиеся при численном интегрировании скоростных уравнений, пунктирной - по приближенным формулам.

Рассматривая поведение решения системы (1.33), (1.34) при малых отклонениях от положения равновесия, находим выражение для постоянной времени затухания релаксационных пульсаций τr (рис.1.10а):

2 = 1 + g( j jth),

τr τ edκn

и частоты релаксационных пульсаций wr (рис.1.10б):

w2

=

vg( j jth)

 

1

.

 

 

r

 

ed

τr2

(1.36)

(1.37)

При подаче прямоугольной ступеньки тока в переходном процессе формирования оптического импульса можно выделить следующие этапы:

1) Этап выполнения пороговых условий, заканчивающийся при достижении концентрацией носителей порогового значения nth = n0 + κgn . Длительность этого этапа td находится из кинетического уравнения для неравновесных носителей в предположении, что плотность фотонов до начала генерации пренебрежимо мала:

td = τ ln

j

(1.38)

 

.

 

 

j jth

 

Рассчитаем плотность фотонов к концу первого этапа. Заметим, что концентрация фотонов существенно возрастает только тогда, когда концен-

24

трация носителей приближается к пороговой. Поэтому, разделив выражение (1.34) на (1.33) и заменив в знаменателе n на nth, получим

 

dS

=

vgτ(n nth)S + βn

,

(1.39)

dn

 

 

 

n1 nth

 

где n1 = ed. После интегрирования и пренебрежения малыми слагаемыми для предпороговой плотности фотонов S0 имеем:

π

 

S0 βnthr2vgτ(n1 nth).

(1.40)

2) Этап "медленного"развития генерации. В этом случае вклад вынужденной рекомбинации в (1.33) мал. По окончании второго этапа можно считать S Sst . Плотность носителей на этом этапе достигает своего максимального значения, которое превышает пороговое на величину nmax. Интегрируя уравнение (1.33), получаем выражение для длительности второго

этапа t2 :

= τ ln

 

n1 nth

 

 

t2

 

.

(1.41)

 

n1

nth nmax

 

Это же время t2 можно получить, интегрируя уравнение (1.34), предварительно для упрощения расчетов выразив величину n из уравнения (1.33):

S

= v

g τ

ed

dt

n0

dS

 

 

 

j

 

dn

 

После интегрирования получаем

τΔnmax + 1 ln Sst t2 = vg S0

n1 nth

κn dt. (1.42)

. (1.43)

Приравнивая (1.41) и (1.43), раскладывая выражение под логарифмом в ряд и ограничиваясь двумя первыми членами, находим

 

max s

vgτ

 

S0

 

 

n

 

2 (n1 nth)

ln

Sst

.

(1.44)

 

 

 

3) Этап "быстрого"развития генерации. В уравнении для электронов (1.33) пренебрегаем спонтанной рекомбинацией и накачкой. Разделив выражение (1.34) на (1.33), получаем

dS

≈ −1 +

κn

(1.45)

 

 

.

dn

g(n n0)

25

(а)

(б)

Рис. 1.11. Зависимость отношения амплитуды первого релаксационного пичка излучения Smax к стационарному значению Sst (а) и длительность первого пичка δ1 (б) от плотности тока накачки j при различных коэффициентах потерь κn. Сплошной линией даны величины, получающиеся при численном интегрировании скоростных уравнений, пунктирной - по приближенным формулам.

После интегрирования, учитывая, что n падает от nth + nmax до nth, а S растет от Sst до максимального значения Smax, находим

 

 

κ

1

 

g

nmax .

 

Smax Sst +

nmax

n

ln

+

 

(1.46)

g

κn

Оценим длительность первого пичка излучения. Складывая уравнения (1.33) и (1.34), пренебрегая накачкой и спонтанной рекомбинацией, полу-

чаем:

dS

 

 

 

dn

≈ −nS.

 

 

 

 

+

 

(1.47)

 

dt

dt

Считаем, что изменение концентрации за время существования импульса близко к (nmax nth). При интегрировании по времени от момента, когда плотность фотонов равна половине максимального значения на фронте импульса, до такого же значения плотности фотонов на спаде импульса вклад от второго дифференциала S равен нулю ввиду одинаковости пределов. Значение S в правой части равенства заменяем на Smax/2. Тогда длительность первого пичка, оцененная на уровне половинной амплитуды, равна

2 nmax

 

δ1 nSmax .

(1.48)

Точность выражений (1.46) и (1.48) иллюстрируется рис.1.11, где показаны расчетные и приближенные зависимости Smax/Sst и δ1 от плотности тока накачки.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]