3.7. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема стенда и характеристики измерительных приборов и устройств.

3. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

4. Графики измеренных характеристик.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

Каковы принцип действия и конструкция кольцевого лазера?

В чем выражается эффект Саньяка?

Назовите основные типы кольцевых оптических резонаторов.

Назовите основные типы датчиков угловой скорости. Какой из этих датчиков обладает наибольшей потенциальной точностью?

Что такое выходная характеристика лазерного датчика угловой скорости?

Чем обусловлен дрейф разностной частоты на выходе лазерного датчика угловой скорости и каковы способы его уменьшения?

Чем вызвано наличие зоны синхронизации (нечувствительности) в выходной характеристике?

Чем ограничен динамический диапазон измеряемых лазерным датчиком угловой скорости угловых скоростей?

Приведите основное уравнение кольцевого лазера.

Почему в макете ЛДУС установлены два активных элемента?

Какой вид поляризации излучения, распространяющегося: a) внутри резонатора; b) внутри активного элемента; c) на выходе кольцевого лазера?

Назовите типы оптических смесителей.

Основные методы создания разных частот внутри резонатора.

Чем ограничена полоса пропускания приемного тракта лазерного датчика угловой скорости?

Что будет наблюдаться на экране осциллографа, если в кольцевой резонатор поместить элемент разноса частот при =0?

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА

1. Цель работы. Ознакомиться с принципом и конструкцией полупроводникового инжекционного лазера типа «ДЦ-3». Изучить его основные характеристики и принципы, их измерений.

2. Краткие сведения из теории

Специфика процессов генерирования колебаний в полупроводниковых лазерах во многом обусловлена особенностями системы энергетических уровней активного вещества - полупроводника. В отличив от отдельных атомов и молекул, полупроводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими полосами (зонами) энергетических состояний. Разрешенные зоны отделены одна от другой запрещенными зонами.

В полупроводнике, подвергавшемуся нагреву, облучении или пропусканию тока, электроны валентной зоны, поглощая энергию, сообщаемую извне, приобретают способность преодолеть запрещенную зону и перейти на более высокую энергетическую зону - зону проводимости. В результате этого образуются пары носителей заряда: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Возможен, очевидно, и обратный переход электронов возбуждающего атома на более низкий энергетический уровень: из зоны проводимости в валентную зону. В результате такого перехода пары электрон-дырка рекомбинируют, выделяя избыточную энергию, полученную электронами извне в процессе возбуждения атома.

В естественных условиях при отсутствии каких-либо внешних воздействий на полупроводник, электронно-дырочные пары возникают и исчезают в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов, причем в полупроводнике устанавливается тепловое равновесие электронов и дырок друг с другом. Оно характеризуется некоторым равновесным количеством электронов проводимости и дырок, которое описывается распределением Ферми и определяется температурой T и шириной запрещенной зоны полупроводника E. При тепловом равновесии вблизи потолка валентной зоны E_V всегда больше электронов, чем дырок. Поэтому, несмотря на то, что при освещении полупроводника вероятность акта образования электронно-дырочной пары с поглощением фотона точно равна вероятности рекомбинации электронно-дырочной пары с испусканием фотона, общее число актов поглощения преобладает.

Для того, чтобы заставить полупроводник усиливать падающий свет, а не поглощать его, необходимо сильно нарушить в нем тепловое равновесие с тем, чтобы электроны плотно заполнили область, примыкающую ко дну зоны проводимости E_C, а дырки плотно заполнили область у потолка валентной зоны E_V. При этом вследствие равенства вероятностей единичных актов рождения и рекомбинации электронно-дырочных пар, число актов рекомбинации будет преобладать. Поэтому такой полупроводник будет усиливать свет за счет вынужденного испускания фотонов. Состояние полупроводника, при котором большинство уровней в нижней части зоны проводимости занято электронами, или в верхней части валентной зоны - дырками, называется вырожденным (вырождение может иметь место одновременно и для электронов и для дырок). Наивысший уровень энергии _E, до которого электроны плотно заполняют зону проводимости, называется уровнем Ферми для электронов проводимости. Чем больше электронов попало в зону проводимости, тем выше расположен уровень Ферми, тем больше вырождение электронов в полупроводнике (рис. 1). Аналогичная картина наблюдается и для дырок, только в этом случае уровень Ферми для дырок _H, расположен в валентной зоне и с увеличением числа дырок опускается вниз.

Рис. 1. Энергетическая схема вырожденного полупроводника (вырождены электроны и дырки).

Если в полупроводнике вырождены одновременно электроны и дырки, то расстояние между уровнями Ферми для электронов _E и для дырок _H больше, чем ширина запрещенной зоны, т.е.

(1)

Естественно, что при этом электроны из зоны проводимости могут «упасть» в валентную зону только на «свободные» уровни, лежащие в интервале от _V до _H так, как остальные уровни заняты электронами (не заняты дырками). Электроны из валентной зоны по той же причине практически могут быть заброшены в зону проводимости только на уровни, лежащие выше _E. Таким образом, если пропустить через вырожденный полупроводник свет, энергия квантов которого лежит в интервале от до то такие фотоны не могут вызвать электронных переходов из валентной зоны в зону проводимости и, следовательно, не могут поглотиться в полупроводнике.

В то же время эти фотоны могут «столкнуть» электроны из зоны проводимости в валентную зону, то есть вызвать вынужденную рекомбинацию. При этом рождаются фотоны, точно совпадающие по своим свойствам с первичными. Такой полупроводник может усиливать свет в полосе частот . Ширина этой полосы определяется степенью вырождения электронов и дырок полупроводника, т.е. расположением уровней Ферми электронов и дырок и шириной его запрещенной зоны . По аналогии с другими лазерами условие (1) называют условием инверсии населенностей, так как при этом концентрация электронов и дна зоны проводимости, т.е. суммарная населенность нижней части зоны проводимости, выше чем концентрация электронов в верхней части валентной зоны (т.е. населенности верхней части валентной зоны).

Если поместить вырожденный полупроводник, усиливающий свет, между отражающими зеркалами, заставляющими родившиеся фотоны снова и снова проходить через кристалл, создавая каждый раз новые лавины фотонов, то при каждом проходе полоса энергии родившихся фотонов будет сужаться вследствие того, что усиление в полосе частот  неодинаково. На частоте максимального значения усиления рождается больше всего фотонов и при каждом проходе свет этой частоты усиливается больше: чем свет других частот, поэтому при большом числе проходов, спустя сравнительно короткое время, подавляющее число фотонов будет обладать очень близкими значениями энергии. Иначе говоря, свет, заключенный между зеркалами, станет монохроматичным. Если одно из зеркал сделать полупрозрачным, то через него будет выходить монохроматичный свет в виде остро направленного луча, т.е. система будет работать как полупроводниковый лазер.

Вырожденное состояние полупроводника удается осуществить следующими основными методами:

1. Метод инжекции неравновесных носителей черед p-n переход.

2. Оптическое возбуждение (когерентное и некогерентное).

3. Возбуждение пучком быстрых электронов.

4. Возбуждение однородных полупроводников импульсами электрического поля (лавинная ионизация).

В настоящее время наибольшее распространение подучили полупроводниковые лазеры, в которых используется инжектирование носителей через электронно-дырочный переход. Принцип работы таких лазеров можно вкратце пояснить следующим образом.

Если взять два полупроводника n- и p-типов, в которых электроны и дырки вырождены, и соединить их (рис 2), то в месте соединения их (p-n-переходе) может быть выполнено условие инверсии населенностей (1). Часть электронов проводимости из p-области перейдет в n-область. В процессе этого перехода электроны и дырки будут рекомбинировать друг с другом, излучая фотоны. Эти фотоны не могут поглощаться в p-n-переходе, а следовательно свет будет усиливаться до тех пор, пока выполняется условие . Однако это условие будет выполнено в области перехода только в первый момент присоединения полупроводников. Через небольшое время движение электронов и дырок прекратиться. Они перераспределятся по энергетическим уровням и придут в равновесие друг с другом. Уровни Ферми в p- и n-областях совместятся (рис. 3), а в области p-n-перехода исчезнет одновременное вырождение электронов и дырок, а следовательно и инверсия населенностей.

Для того, чтобы снова создать инверсию населенностей в p-n-переходе, т.е. добиться, чтобы уровни Ферми в p-n-переходе, т.е. добиться, чтобы уровни Ферми в n- и p-областях снова разошлись на расстояние, большее ширины запрещенной зоны E, нужно приложить к переходу электрическое напряжение U, как показано на рис.. 4. При этом через p-n-переход потечет электрический ток, состоящий из двух компонент: электронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу. Эти два потока частиц встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, излучая свет.

Рис. 2. Энергетическая схема p-n-перехода в момент соединения полупроводников p- и n-типа

Рис. 3. Энергетическая схема p-n-перехода после установления равновесия.

Так как встречные потоки частиц будут поддерживать в переходом слое концентрацию, достаточную для вырождения электронов и дырок, то при этом условие будет выполнено. Это означает, что при освещении p-n-перехода число вынужденно испущенных фотонов будет превышать число фотонов поглощенных. Условие инверсии в p-n-переходе выполняется с тем большим запасом, чем выше электрическое поле в переходе, т.е. чем больший протекает через переход максимальный ток, при котором вынужденное излучение сравнимо с поглощением (потерями) света в p-n-переходе, называют пороговым током. Если ток, пропускаемый через p-n-переход, больше порогового, то p-n-переход является усиливающей средой для света, распространяющегося в плоскости p-n-перехода. Для получения генерации нужно ввести обратную связь, т.е. p-n-переход нужно поместить между зеркалами. В полупроводнике роль зеркал обычно выполняют гладкие грани самого полупроводникового кристалла.

Рис. 4. Энергетическая схема p-n-переход при наличии напряжения

В настоящей работе используется полупроводниковый лазер типа «LD-3», имеющий типовую для инжекционных лазеров конструкцию и представляющий собой наборной лазерный диод. Схема построения прибора показана на рис. 5. Лазерный диод работает в импульсном режиме. Его основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица №1

Основные характеристики лазера LD-3

Длина волны генерации	r=9100 A
Ширина спектра излучения	r=60 A
Рабочий интервал температур окружающей среды	15  300C
Режим импульсный
Амплитуда импульса тока	до I=100 A
Длительность импульса тока	до imp=0,15mks
Частота повторения импульсов	f=500Hz
Импульсная мощность излучения	Pr=25W

1 – металлизированная подложка

2 – слой металлизации

3 – медная полоска

4 – полоска GaAs-Al_xGa_x-1As

5 – отражающее покрытие

1 – n-тип

2 – p-тип

3 – p-n переход

4 – омические контакты

5 – теплоотводящие контакты

6 – сферическая выточка

Рис.5. Схема конструкции инжекционного полупроводникового лазера (а)

и матрицы лазерных диодов (б) 1,3 – полупроводники n – и p – типа; 2 –

p – n переход; 4 – омический контакт; 5 – теплопроводящая плата; 6 – полу-

сферическая лунка для концентрации излучения; 7 – металлизированная

подложка; 8 – полоска GaAs – AlxGa1-xAs; 9 – медная полоска; 10 – металли-

зация; 11 – отражающее покрытие.

Рис. 5.

Приведем далее некоторые соотношения для оценок энергетических характеристик полупроводниковых лазеров.

Мощность выходного излучения полупроводникового лазера определяется формулой

(2)

где h – энергия кванта излучения; _q – квантовый выход излучения; U – внешнее напряжении на p-n-переходе; – коэффициент пропускания грани резонатора ( – коэффициент отражения полупрозрачной грани); P_E – электрическая мощность, проведенная к p-n-переходу; I - пороговый ток.

К.п.д. полупроводникового лазера

(3)

где R - сопротивление, последовательное с p-n-переходом.

В заключение отметим, что полупроводниковый лазер на p-n-переходе, обладая рядом недостатков (большая расходимость светового луча, широкая линия излучения), имеет ряд важных преимуществ перед другими лазерами. Он обладает высоким к.п.д., близким к единице, малыми размерами, простотой конструкции, большой мощностью, снимаемой с 1 см² излучающей поверхности, возможностью работы при комнатной температуре (в импульсном режиме). Все эти достоинства обусловливают широкие практические применение таких лазеров.