Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Измерение энергетических параметров излучения полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерителя Lab Max-Top: Учебно-методическое пособие

Голосов: 0

Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного прибора Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников излучения (термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект оборудования Lab Max-Top, устройство и правила эксплуатации измерительного прибора, принцип работы и основные этапы изготовления объектов исследования (полупроводниковых лазерных диодов), получение и передача данных, обработка результатов. Электронное учебно-методическое пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов ННГУ, обучающихся по основной профессиональной образовательной программе аспирантуры 01.04.10 "Физика полупроводников", изучающих курсы "Физика лазеров", "Нанофотоника".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
       Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
                    высшего профессионального образования
  «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

             Национальный исследовательский университет

              Учебно-научный и инновационный комплекс
           «Новые многофункциональные материалы и нанотехнологии»

          Исследовательская школа «Наноматериалы и нанотехнологии»

       Основная профессиональная образовательная программа аспирантуры
                        01.04.10 Физика полупроводников

           Название дисциплины Физика полупроводников, Нанофотоника




              Дикарева Н.В. Карзанова М.В. Некоркин С.М.

       Измерение энергетических параметров излучения
       полупроводниковых лазерных диодов с помощью
                  измерителя Lab Max-Top


                 Электронное учебно-методическое пособие




   Мероприятие 3.1: Развитие системы поддержки ведущих научно-педагогических
          коллективов, молодых ученых, преподавателей и специалистов




                              Нижний Новгород
                                   2012


                                                                            2




Измерение энергетических параметров излучения полупроводниковых лазерных
диодов с помощью измерителя Lab Max-Top
Дикарева Н.В. Карзанова М.В. Некоркин С.М. Электронное учебно-
методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. –
37 с.




       Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических
параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного прибора
Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников излучения
(термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект оборудования Lab
Max-Top, устройство и правила эксплуатации измерительного прибора, принцип
работы и основные этапы изготовления объектов исследования (полупроводниковых
лазерных диодов), получение и передача данных, обработка результатов.
       Электронное учебно-методическое пособие предназначено для студентов,
магистров, аспирантов ННГУ, обучающихся по основной профессиональной
образовательной программе аспирантуры
01.04.10 Физика полупроводников, изучающих курс Физика лазеров, Нанофотоника




                                      2


                                                          Содержание

Содержание ……………………………………………………………………… 3
Введение …………………………………………………………………………. 4
Глава 1. Устройство и принцип работы полупроводникового лазерного
диода ....................................................................................................................... 5
   1.1. Введение в физику полупроводниковых инжекционных лазеров …… 5
   1.2. Типы лазерных диодов ..………………………………………………… 9
   1.3. Основные характеристики инжекционного лазера …………………... 10
Глава 2. Устройство и принцип работы приемников излучения ………. 14
   2.1. Основные характеристики приемников излучения …………………... 14
   2.2. Типы приемников излучения ………………………………………....... 15
     2.2.1. Принцип работы термопарного приемника излучения ………… 16
     2.2.2. Принцип работы пироэлектрического приемника излучения ......16
Глава 3. Измеритель мощности Lab Max-Top …………………………….. 19
   3.1. Измерения мощности с помощью термопарного датчика ………….. 19
   3.2. Измерения энергии с помощью пироэлектрического датчика ……... 20
   3.3. Сохранение данных ……………………………………………………..21
   3.4. Перенесение данных на Flesh-носитель …………………………….... 22
Глава 4. Описание методик измерения энергетических характеристик..23
   4.1. Методика измерения энергетических характеристик в непрерывном
режиме накачки …………………………………………………………………..23
   4.2. Методика измерения энергетических характеристик в импульсном
(импульсно-периодическом) режиме накачки ……………..…………………. 24
Глава 5. Подготовка образцов к измерению ……………………………...... 25
Глава 6. Подготовка оборудования к измерению …………………………. 28
Глава 7. Получение и обработка результатов …………………………….. 30
Приложения ……………………………………………………………………. 31
Литература ……………………………………………………………………... 37




                                                                 3


    Введение

   Перспективность инжекционных гетеролазеров с квантовыми ямами была
осознана более тридцати лет тому назад. Однако до сих пор широкие
возможности этих генераторов когерентного света остаются далеко не
исчерпанными.
   Параметры излучения полупроводниковых лазеров являются предметом
исследования многих научных коллективов. Наряду со спектральными,
постранственно-временными и др. параметрами лазерного излучения, особое
место занимают энергетические. Наиболее важным из которых, подлежащим
измерению, является выходная мощность излучения Рout. Остальные
энергетические характеристики функционально связаны с данным параметром.
   Настоящее методическое пособие посвящено изучению энергетических
параметров полупроводниковых лазерных диодов с помощью измерительного
прибора Lab Max-Top. Изложены физические принципы работы приемников
излучения (термопарные и пироэлектрические датчики), входящих в комплект
оборудования Lab Max-Top, устройство и правила эксплуатации
измерительного прибора, принцип работы и основные этапы изготовления
объектов исследования (полупроводниковых лазерных диодов), получение и
передача данных, обработка результатов.




                                     4


       Глава 1. Устройство и принцип работы полупроводникового
                                 лазерного диода.

  Самым распространенным типом полупроводникового лазера является
гетеролазер с квантоворазмерной активной областью (с квантовой ямой).
Сегодня эффективные лазерные устройства на квантовых ямах применяются
для накачки твердотельных лазеров, в волоконно-оптических линиях связи,
компьютерной технике, медицине, лазерной дальнометрии и ряде других
приложений.
  Рассмотрим физические основы работы полупроводникового инжекционного
лазера с квантовыми ямами на примере лазера, изготовленного на основе
материалов InGaAs/GaAs/InGaP. Такие лазеры могут работать в спектральном
диапазоне 0.93 - 1.06 мкм.


   1.1. Введение в физику полупроводниковых инжекционных лазеров.

  Уменьшение толщины активного слоя инжекционного лазера до величины,
сравнимой с длиной де Бройля для носителей (λ = h/p, где h – постоянная
Планка, p – импульс), приводит к двумерному квантованию дискретных
уровней. Энергия уровней зависит от величины потенциальных барьеров на
границах конечной прямоугольной ямы. При наличии квантовых ям плотность
состояний имеет ступенчатое изменение.

                                      8
                                      6
                                      5
                                      4
                                      3
                                      2


                                      1
                                                                  Eg
                                      7

        Рис.1. Лазерная структура и её зонная диаграмма. 1 - подложка n+-GaAs, 2 -
ограничивающий слой n-InGaP, 3 - волноводный слой нелегированного GaAs, 4 - активная
  область InGaAs, 5 - ограничивающий слой p-InGaP, 6 - контактный слой p+-GaAs, 7,8 -
            омические золотые контакты к n- и p-типу GaAs соответственно.


  На рис. 1 показана (не в масштабе) лазерная структура и её зонная диаграмма
при прямом смещении p-n перехода, что имеет место при работе
инжекционного лазера. Рассмотрим более подробно назначение каждого слоя.
                                            5


В полупроводниковых инжекционных лазерах ограничение световой волны и
распространение излучения происходит в диэлектрическом волноводе. На
рис. 2 показан плоский симметричный диэлектрический волновод с
показателями преломления слоёв n1 (ограничивающие слои) и n2 (волноводный
слой).




                                  θс
              n1

              n2

              n1




       Рис.2. Оптический волновод и профиль электрического поля волны для трёх
                                волноводных мод.


Для того чтобы световая волна могла без затухания распространяться вдоль
плоскости такого волновода, необходимо, чтобы она испытывала полное
внутреннее отражение от верхней и нижней границ волноводного слоя. Из
этого сразу следуют условия:
                n2>n1,           θc ≤ arcsin(n1/n2)                  (1)
Отраженные от границ лучи интерферируют между собой. Условием
максимума интенсивности при интерференции является фазовый сдвиг между
интерферирующими волнами, равный 2πn, где n-целое число. Так как сдвиг
фаз определяется длиной волны излучения, толщиной волноводного слоя и
углом распространения луча θc, то при заданных длине волны и толщине
волноводного слоя угол θc может принимать только конечное число
дискретных значений. Каждому значению угла соответствует свой профиль
электромагнитного поля световой волны в направлении поперёк волновода,
называемый собственной модой волновода и своя скорость распространения
волны в волноводе.
  На рис. 2 справа показаны профили интенсивности для основной моды,
имеющей один центральный максимум интенсивности, а также первой моды
(2 максимума) и второй моды (3 максимума). Известно, что при полном
внутреннем отражении света в среду с меньшим показателем преломления
проникает экспоненциально спадающий "хвост" электромагнитного поля
                                          6


падающей волны, что отражено на рисунке. Это может привести к тому, что
значительная часть энергии электромагнитной волны будет распространяться
в ограничивающих слоях. При недостаточной толщине ограничивающих
слоёв может происходить "туннелирование" волны из волновода, что
приведёт к потерям энергии волны. В лазерных структурах, как правило,
выбирают толщины слоёв таким образом, чтобы распространяться с малыми
потерями энергии могла только основная волноводная мода. В этом случае
говорят об "одномодовом волноводе" или "одномодовой лазерной генерации".
Отметим, что здесь мы не рассматриваем профиль электромагнитного поля
волны в направлении, перпендикулярном рисунку, считая волновод в этом
направлении неограниченным. В реальных лазерах края активной области
могут влиять на профиль волны в этом направлении, если ширина активной
области становится сравнима с длиной волны излучения. В нашем лазере
ограничивающими слоями служит In0.5Ga0.5P, согласованный по параметру
решётки с GaAs подложкой и имеющий показатель преломления n1=3.23, а
волноводным слоем служит GaAs с показателем преломления n2=3.52 на
длине волны около 0.98 мкм. Толщину волноводного слоя обычно выбирают в
пределах 0.2 ч 0.8 мкм при толщине ограничивающих слоёв 1.0 ч 0.6 мкм.
   В центре волноводного слоя находится активная область InyGa1-yAs,
толщиной в пределах 5ч20 нм при содержании индия (In) у = 0.4ч0.1. Ширина
запрещённой зоны InyGa1-yAs меньше чем GaAs, поэтому он работает как
потенциальная яма, эффективно захватывающая инжектированные p–n
переходом носители. В литературе для этой области принято название
"квантовая яма". Попавшие в квантовую яму носители могут
рекомбинировать как излучательным, так и безызлучательным образом. Для
эффективного действия лазера необходимо, чтобы вклад безызлучательной
рекомбинации не превышал нескольких процентов от общего числа
инжектированных p–n переходом носителей.
   Варьируя ширину квантовой ямы и содержание в ней In, можно получать
лазерные структуры на заданную длину волны. Перекрываемый таким
образом диапазон длин волн лежит в пределах 0.93ч1.06 мкм. Поскольку в
плоскости квантовой ямы носители могут свободно двигаться, каждый
энергетический уровень представляет собой подзону размерного квантования,
но в отличие от энергетических зон GaAs плотность состояний носителей в
подзонах имеет не квадратичную, а прямоугольную зависимость.
   В простейшем случае, который обычно имеет место на практике,
заполненными носителями оказываются только нижние подзоны электронов и
тяжёлых дырок, для излучательных переходов между которыми и наблюдается
лазерная генерация. Для возникновения лазерной генерации необходимо
усиливающую излучение среду поместить в резонатор для создания
положительной обратной связи. В полупроводниковом инжекционном лазере
таким резонатором служат плоскопараллельные зеркала, образуемые
скалыванием лазерной структуры по кристаллографической плоскости (110),
расположенной перпендикулярно плоскости волновода (100). Коэффициент

                                     7


отражения на естественных сколотых гранях около 30%, что достаточно для
создания положительной обратной связи, но в современных лазерах с целью
вывести всё генерируемое излучение в одну сторону обычно на одну из
сколотых граней напыляют многослойное диэлектрическое зеркало с
коэффициентом отражения R2>95%, а другую грань просветляют до
R1 ≈ 3ч10%. Рекомбинационное излучение может испытывать поглощение на
свободных носителях, рассеяние на неоднородностях волновода, выходить из
резонатора через полупрозрачные зеркала, а также взаимодействовать с
инжектированными      носителями,   вызывая    вынужденное     испускание
идентичных фотонов. Когда концентрация инжектированных носителей
становится достаточно высокой, уровень вынужденного излучения может
превысить суммарный уровень потерь и начинается лазерная генерация.
  Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с
обычными полупроводниковыми лазерами. Очень важно, что эти приборы
можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Так, при
уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов              в зоне
проводимости и в валентной зоне увеличиваются и частота, генерируемая
лазером, возрастает. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться,
чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает
излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе
легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых
структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие
полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой
энергии - до 60% электрической мощности преобразуется в свет.


                       1.2. Типы лазерных диодов.

   По режиму работы, существующие полупроводниковые лазеры могут быть
разделены на три группы:
1)    Лазеры непрерывного режима работы (непрерывные лазеры). В
непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте
генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени,
значительно превышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают не-
прерывное излучение в течение длительного времени.
2) Лазеры импульсного режима работы (импульсные лазеры). Импульсный
режим характеризуется излучением энергии в виде импульсов. В таком
импульсном лазере излучение длится очень недолго (от единиц пикосекунд до
десятков миллисекунд), и даже при небольшой излучаемой энергии процесс
оказывается сжатым, сконцентрированным во времени. Мощность при этом
может принимать достаточно большие значения.
3) Лазеры импульсно-периодического режима работы (импульсно-
периодические лазеры). Импульсно-периодического режим характеризуется
излучением энергии в виде импульсов длительностью от единиц пикосекунд до
десятков миллисекунд, повторяющихся через одинаковые интервалы времени.
                                      8


Такой режим работы характеризуется длительностью и частотой повторения
импульсов. Частота повторения импульсов может варьироваться от доли-
единицы герц до десятков мегагерц. Если средняя мощность импульсно-
периодической генерации сопоставима с пиковой мощностью составляющих
импульсов, то в этом случае режим генерации имеет квазинепрерывный
характер. Такой режим генерации в свою очередь может быть характеризован
длительностью импульса и скважностью (отношением периода следования
импульса к его длительности). Величина, обратная скважности и часто
используемая в англоязычной литературе, называется коэффициентом
заполнения (англ. Duty cycle).
  Режим накачки полупроводникового лазера напрямую связан с режимом
генерации излучения (длительность и частота повторения импульсов тока
накачки совпадают с длительностью и частотой его излучения). В большинстве
случаев это справедливо для полупроводниковых лазеров импульсного и
импульсно-периодического режима работы с длительностью импульса от
единиц нанометров. Что касается генерации пикосекундных импульсов
излучения, то полупроводниковый лазер может при этом работать в режиме
модуляции добротности, а длительность тока накачки будет больше, чем
длительность излучения.




                                      9


                  1.3. Основные характеристики лазера.

   Согласно ГОСТ 24453-80 к основным параметрам и характеристикам
лазерного излучения относятся:
1) Спектральные параметры и характеристики лазерного излучения.
2) Пространственно-временные параметры и характеристики лазерного
излучения.
3) Параметры поляризации лазерного излучения.
4) Энергетические параметры и характеристики лазерного излучения, на
которых остановимся подробнее.

Среди энергетических параметров выделяют основные:
- энергия импульса лазерного излучения;
- энергия лазерного излучения;
- мощность лазерного излучения;
- плотность мощности лазерного излучения;
- средняя мощность лазерного излучения - среднее значение мощности
неизменного непрерывного или импульсно-модулированного лазерного
излучения за заданный интервал времени;
- средняя мощность импульса лазерного излучения;
- максимальная мощность импульса лазерного излучения.

  Наиболее важным энергетическим параметром полупроводникового лазера,
подлежащим измерению, является выходная мощность излучения Рout [1]. Все
остальные характеристики (плотность мощности, энергия лазерного излучения
и др.) функционально связаны с данным параметром. Всю группу
энергетических параметров, в свою очередь, так же можно условно разбить на
две подгруппы:

1) Временная подгруппа, куда можно отнести энергию W; энергию импульса
Wи, среднюю мощность Pср; среднюю мощность импульса Pср.и; максимальную
(пиковую) мощность импульса Pmax.и; длительность τ и частоту повторения
импульсов f ; форму импульсов F.

2) Пространственная подгруппа, куда можно отнести плотность энергии W/A,
где А – площадь поперечного сечения луча; плотность мощности
(интенсивность) излучения I, относительное распределение плотности энергии
(или мощности) в сечении луча; диаметр луча d; расходимость излучения θ;
энергетическую расходимость θр. Рассмотрим каждую из этих подгрупп в
отдельности.
   В соответствии с разделением лазеров по режиму работы (пункт 1.2) для
энергетической характеристики излучения лазеров разного типа удобнее
пользоваться разными величинами:
                                     10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика