ลักษณะของเลเซอร์

ความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา

ที่การปล่อยก๊าซเรือนกระจกความยาวคลื่นของเลเซอร์ขึ้นอยู่กับพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนจากแถบการนำไฟฟ้าไปเป็นแถบเวเลนซ์ ซึ่งมีค่าประมาณเท่ากับช่องว่างของแถบ E (eV)

hf=E_g--(3.4)

เนื่องจาก c=f โดยที่ f และ lam คือความถี่และความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมา ตามลำดับ c=3 × 10⁻³ m/s, h=6.628 × 10⁻³ J·s และ 1 eV=1.60 × 10⁻¹ J เมื่อแทนที่ในสมการ (3-4) จะได้ผลลัพธ์:

เนื่องจาก bandgap เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบและเนื้อหาของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาต่างกันจึงสามารถสร้างขึ้นตามหลักการนี้ได้

คุณลักษณะเกณฑ์ (คุณลักษณะ P-I)

สำหรับเลเซอร์ เมื่อกระแสไปข้างหน้าที่ใช้ถึงค่าที่กำหนด กำลังแสงเอาท์พุตจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ กระแสนี้เรียกว่าเกณฑ์ปัจจุบันซึ่งแสดงโดยε เส้นโค้งลักษณะเอาต์พุตของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปจะแสดงในรูปที่ 3-6 เพื่อการทำงานที่มั่นคงและเชื่อถือได้ ยิ่งเกณฑ์กระแสต่ำเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

รูปที่ 3-6 เส้นโค้งลักษณะเอาต์พุตของเลเซอร์ทั่วไป

ลักษณะสเปกตรัม

ลักษณะสเปกตรัมของเลเซอร์ถูกกำหนดโดยโหมดตามยาวเป็นหลัก เส้นโค้งสเปกตรัมทั่วไปสำหรับเลเซอร์หลาย-โหมดและเลเซอร์โหมดเดี่ยว-จะแสดงในรูปที่ 3-7a และ 3-7b นี่แล₀แสดงถึงความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับจุดสูงสุดของโหมดตามยาวด้วยกำลังการแผ่รังสีสูงสุด เรียกว่าความยาวคลื่นสูงสุด โดยทั่วไปคือ 850 นาโนเมตร 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร เดลเล_Aคือความกว้างสเปกตรัมของเลเซอร์ ซึ่งกำหนดเป็นความกว้างของความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับขอบเขตโหมดตามยาวซึ่งลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด หรือที่เรียกว่าความกว้างเต็มสเปกตรัมสูงสุดครึ่งหนึ่ง (FWHM) ความกว้างสเปกตรัมของเลเซอร์โหมดเดี่ยว-เรียกอีกอย่างว่าความกว้างของเส้น กรอบสเปกตรัมของเลเซอร์หลายโหมด-โดยทั่วไปจะมีโหมดตามยาว 3-5 โหมด โดยมีค่า Δแล ประมาณ 3-5 มม. เลเซอร์โหมดเดี่ยวที่ดีจะมีค่า Δแล ประมาณ 0.1 นาโนเมตรหรือน้อยกว่านั้นด้วยซ้ำ Δแลคือช่วงความยาวคลื่นระหว่างจุดสองจุดบนเส้นสเปกตรัม โดยที่พลังงานการแผ่รังสีสเปกตรัมของโหมดตามยาวคือครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด

รูปที่ 3-7 ลักษณะสเปกตรัมของเลเซอร์

สำหรับเลเซอร์โหมด-ตามยาว-เดี่ยว อัตราส่วนการปราบปรามโหมดด้านข้าง- (MSR) ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของกำลังของโหมดหลัก P₀ไปทางด้านรอง-โหมดกำลัง P₀และเป็นการวัดความบริสุทธิ์ฮาร์มอนิกของเลเซอร์

MSR=10lg(3-6) สเปกตรัมการแผ่รังสีของเลเซอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพการทำงาน เมื่อกระแสการฉีดต่ำกว่าเกณฑ์กระแส เลเซอร์จะปล่อยแสงฟลูออเรสเซนต์ในสเปกตรัมกว้าง เมื่อกระแสเพิ่มขึ้นถึงเกณฑ์ปัจจุบัน สเปกตรัมก็แคบลง ความเข้มเพิ่มขึ้น และการเกิดเลเซอร์เกิดขึ้น เมื่อกระแสการฉีดเพิ่มขึ้นอีก อัตราขยายของโหมดหลักจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่อัตราขยายของโหมดด้านข้าง-ลดลง จำนวนโหมดการสั่นจะลดลง และสุดท้าย-เลเซอร์โหมดตามยาวเดี่ยวจะปรากฏขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างสเปกตรัมเอาท์พุตของเลเซอร์กับกระแสการฉีดจะแสดงในรูปที่ 3-8

รูปที่ 3-8 ความสัมพันธ์ระหว่างสเปกตรัมเอาท์พุตเลเซอร์กับกระแสการฉีด

ความกว้างสเปกตรัมสามารถแสดงด้วยความถี่ได้เช่นกัน จากความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และความยาวคลื่น เราสามารถได้รับ:

ประสิทธิภาพของโฟโตอิเล็กทริก

ประสิทธิภาพของโฟโตอิเล็กทริกคืออัตราส่วนของพลังงานไฟฟ้าต่อพลังงานแสง สามารถแสดงออกได้หลายวิธี:

(1) ประสิทธิภาพควอนตัมภายใน เลเซอร์จะปล่อยแสงผ่านการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและรูที่ถูกฉีดเข้าไปในชั้นแอคทีฟ แต่ไม่ใช่ว่าอิเล็กตรอนและรูที่ถูกฉีดเข้าไปทั้งหมดจะสามารถเกิดการรวมตัวกันใหม่ของรังสีได้ ประสิทธิภาพควอนตัมภายในแสดงถึงอัตราส่วนของจำนวนโฟตอนที่สร้างขึ้นในชั้นแอคทีฟต่อจำนวนคู่ของรูอิเล็กตรอนที่ถูกฉีดเข้าไป กล่าวคือ จำนวนโฟตอนที่สร้างขึ้นต่อหน่วยเวลา - จำนวนคู่ของอิเล็กตรอนที่ถูกฉีด- ต่อหน่วยเวลา

(2) ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก ประสิทธิภาพควอนตัมภายในของเลเซอร์สามารถสร้างขึ้นได้สูงมาก บางตัวอาจถึง 100% เลยด้วยซ้ำ แต่จำนวนโฟตอนจริงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์นั้นต่ำกว่าจำนวนโฟตอนที่สร้างขึ้นในชั้นที่ใช้งานอยู่มาก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะโฟตอนที่สร้างขึ้นในบริเวณที่เปล่งแสงถูกวัสดุอื่นดูดซับ และส่วนหนึ่งเป็นเพราะผลกระทบของท่อนำคลื่นของจุดเชื่อมต่อ PN ช่วยลดจำนวนโฟตอนที่สามารถหลุดออกจากส่วนต่อประสานได้อย่างมาก ดังนั้น ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก เช่น ประสิทธิภาพทั้งหมด จึงถูกกำหนดเป็น: (3-8) จำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมา r - จำนวนคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่ถูกฉีดต่อหน่วยเวลา (3-9)

ลักษณะอุณหภูมิ

คุณลักษณะของกระแสไฟเกณฑ์และกำลังแสงเอาท์พุตของเลเซอร์ในฐานะฟังก์ชันของอุณหภูมิเรียกว่าคุณลักษณะของอุณหภูมิ เส้นโค้งที่แสดงกระแสเกณฑ์ของเลเซอร์เทียบกับอุณหภูมิจะแสดงในรูปที่ 3-9 ดังที่เห็นได้จากรูป กระแสธรณีประตูจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

ในการจัดการกับความไวต่ออุณหภูมิของเลเซอร์ การชดเชยอุณหภูมิสามารถทำได้ในวงจรขับเคลื่อน หรือใช้ตัวทำความเย็นเพื่อรักษาเสถียรภาพอุณหภูมิของอุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์จะถูกบรรจุพร้อมกับเทอร์มิสเตอร์ ตัวทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ ฯลฯ เพื่อสร้างเป็นส่วนประกอบ

เทอร์มิสเตอร์ใช้เพื่อตรวจจับอุณหภูมิของอุปกรณ์และควบคุมตัวทำความเย็น ทำให้เกิดการควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติแบบป้อนกลับเชิงลบแบบวงปิด-

เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย

เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย (DFB-LDs) เป็นเลเซอร์ชนิดหนึ่งที่สามารถสร้างเลเซอร์โหมดเดี่ยว-ที่ควบคุมแบบไดนามิก หรือที่เรียกว่าเลเซอร์โหมดเดี่ยว-แบบไดนามิก ซึ่งหมายความว่าเลเซอร์เหล่านี้เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ยังคงสามารถทำงานได้ในโหมดเดียวภายใต้การมอดูเลตความเร็วสูง- พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยการแกะสลักตะแกรงลูกฟูกเป็นระยะใกล้กับชั้นแอคทีฟ ซึ่งให้การขยายสัญญาณทางแสงในเลเซอร์เฮเทอโรจังก์ชั่น แผนผังของโครงสร้างเลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจายแสดงในรูปที่ 3-10

รูปที่ 3-10 แผนผังของโครงสร้างป้องกันเลเซอร์แบบกระจาย