Diodlasern Läs först om halvledarlasrar I kurskompendiet ”Laserteknik”, sidorna 82-86. Inledning
Yüklə 90,15 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Platt substratkanalstruktur
- Transversella moder
- 4.Kollimering och fokusering
- 5. Elektriska egenskaper
- 6. Externkaviteter och förstärkare
- 8. Förberedelseuppgifter
|
Diodlasern Laserteknik - 2006  DiodlasernLäs först om halvledarlasrar i kurskompendiet ”Laserteknik”, sidorna 82-86. 1.InledningBakgrundDen första diodlasern såg dagens ljus redan 1962, endast två år efter det att den första (rubin-) lasern demonstrerats. Det dröjde emellertid ända till 1980-talet innan diodlasertekniken hade mognat så pass mycket att den kunde flytta från det renodlade forskningslaboratoriet ut på konsumtionsmarknaden, framdriven framförallt av behoven inom optisk informationslagring och optisk fiberkommunikation. De flesta diodlasrar tillverkas av (halvledar-)material från grupperna III (Ga, Al, In) och V (N, P, As) i det periodiska systemet. Det finns även diodlasrar som baseras på material från grupperna II, IV och VI, vanligen kallade blysaltdiodlasrar eftersom bly oftast ingår. Diodlasrar med emissionvåglängd >3 µm kräver oftast mycket låga temperaturer för att fungera (typiskt < 100 K) medan diodlasrar med kortare våglängd mestadels kan användas vid rumstemperatur. Tabell 1.1 anger de viktigaste diodlasermaterialen och deras emissionsvåglängder.
Fördelar Diodlasern är på många sätt överlägsen övriga lasertyper. Diodlasern är, precis som alla andra halvledarkomponenter, liten och kompakt. Själva diodlaserchipet är ca. 300x250x125 m3 (LxBxH) och ett diodlaserpaket är cirka 1x1x0,5 cm3 (se bilden på framsidan av laborationshandledningen). Diodlasern har en i lasersammanhang mycket hög verkningsgrad, många gånger upp till och även över 20 %. Livstiden för en diodlaser kan skifta högst väsentligt beroende på vilken miljö den arbetar i, men är oftast i storleksordningen 50.000 timmar. Alla diodlasrar har varierbar frekvens och många är även mycket frekvensskarpa. Våglängden kan ofta svepas 10-20 nm kring den nominella våglängden. För frekvensskarpa (singelmod) diodlasrar är halvvärdesbredden i storleksordningen 30-50 MHz. Diodlasern är mycket lämplig för amplitud- och frekvensmodulation. De flesta diodlasrarna kan moduleras upp till 1 GHz. TillämpningarIdag används diodlasrar inom en mängd olika områden och fler tillkommer hela tiden då det ständigt utvecklas nya modeller med högre uteffekt, fler våglängder, bättre tillförlitlighet och inte minst lägre pris. De mest välkända tillämpningarna är CD- och DVD-spelare, laserskrivare och optisk fiberkommunikation. Andra stora användningsområden är t.ex. optiska minnen, mätning och kontroll, diverse instrument, medicinsk behandling, materialbearbetning, militära system, pumpkälla till andra lasrar samt forskning. För att få en uppfattning om laseranvändningen anges i tabell 1.2 antal sålda lasrar under 1996 uppdelat inom respektive område.
Källa: Laser Focus World Feb. -97. CD-spelare baseras på billiga 780 nm diodlasrar med en uteffekt på några få milliwatt. 780 nm diodlasrar med en uteffekt kring 40 till 50 mW används i CD-R skrivare/spelare. Lasrar för avläsning/skrivning bör emittera ljus i en enda transversell mod och ha lågt brus. Synliga diodlasrar mellan 630 och 690 nm används framförallt i optiska minnen, streckkodsläsare och DVD-spelare men finns även i laserpekare och instrument för t.ex. längdmätning och upplinjering. I en laserskrivare sveps en laserstråle över en fotokonduktiv trumma varefter det skapade mönster överförs på papper på samma sätt som i en kopieringsapparat. Även här används 780 nm diodlasrar men eftersom fotokonduktiva material är känsligare ju kortare våglängden är används ibland också synliga diodlasrar. Den största tillämpningen för högeffektsdiodlasrar vid 790 till 820 nm är pumpning av Nd:YAG lasrar (se laborationen Nd:YAG och färgämneslasern). Inom optisk fiberkommunikation används nästan uteslutande diodlasrar vid 1,3 m och 1,55 m. Absorptionen i optiska fibrer är minst vid 1,55 m medan våglängdsdispersionen är minst vid 1,3 m. Som synes av sammanställningen enligt tabell 1.1 finns det idag även blåa (eller snarare violetta) diodlasrar vid 400 nm. Dessa diodlasrar blev kommersiellt tillgängliga januari 1999 och avger kontinuerligt ljus med en uteffekt på 5 mW vid rumstemperatur samt har en uppskattad livstid på cirka 10.000 timmar.
2.Diodlaserns strukturHalvledarfysikSom namnet antyder har diodlasern sitt ursprung i vanliga dioder, och de har därför samma elektriska karakteristik som dioder. En injektionsström genom pn-övergången ger upphov till laddningsbärarrekombination i utarmningsområdet mellan p- och n-typ halvledarmaterialen. Om halvledaren har ett direkt bandgap (en rekombination utan fononer) kan spontana fotoner emitteras från utarmningsområdet, komponenten som bygger på detta kallas lysdiod. Lysdioden har ingen laserkavitet och kan därför inte lasra. För att en lysdiod skall bli en laser krävs att laddningsbärarna och material-strukturen samverkar så att fotonerna riktas i en vågledare. I fig. 2.1 a visas en homostruktur som begränsar de transversella moderna parallellt med pn-över-gången genom att brytningsindex varierar. Detsamma gäller för enkelsidig och dubbelsidig heterostruktur, fig. 2.1 b och c, men här är brytningsindexvariationerna större vilket ger bättre vågledaregenskaper. Den dubbelsidiga heterostrukturen är den enda som används i dagens diodlasrar.
Laserverkan kräver också att en populationsinversion mellan laddningsbärarna upprätthålls och detta sker om injektionsströmmen är större än diodlaserns tröskelström. I denna laboration ska vi använda diodlasrar med platt substratkanalstruktur och kvantbrunnstruktur. Nedan presenteras kort de två strukturerna som båda är "index-guided". Platt substratkanalstrukturFigur 2.2 visar den platta substratkanalstrukturen. Det blockerande lagret begränsar vågledarens utsträckning vinkelrätt mot pn-övergången.  Figur 2.2 Platt substratkanalstruktur. KvantbrunnstrukturenFör att få högre packningstäthet strävar halvledartillverkare mot tunnare linjer i minnen och µ-processorer och därför har nanometerstrukturer blivit allt vanligare. En tillämpning av nanometerstrukturer är diodlasrar med kvantbrunnstruktur. Då tjockleken hos det aktiva området reduceras till ca 20 nm eller mindre får kvantmekaniska egenskaper hos laddningsbärarna betydelse genom att energinivåerna i halvledarens bandgap kvantiseras. En diodlaser med en enkel kvantbrunnstruktur som lagts mellan två lager med större bandgap visas i fig. 2.3.
3.Optiska egenskaperLongitudinella moderVid lasring bildar de mellan ändytorna framåt- och tillbakagående fotonerna en stående våg i laserkaviteten. Villkoret för en stående våg i en diodlaserkavitet ges, som för alla resonanskaviteter, av 
 där L är avståndet mellan ändytorna (fasetterna), n är brytningsindex för halvledarmaterialet vid våglängden och q är ett heltal. Eftersom laserkaviteten är mycket längre än laservåglängden kan många stående vågor, eller longitudinella moder, med något olika våglängd existera samtidigt. Nu kommer dock inte alla möjliga moder att lasra utan endast en (singelmod) eller några få (multimod) beroende på hur förstärkningsprofilen ser ut. Förstärkningsprofilen beror på laddningsbärarfördelningen i det aktiva området. Beroende på tillverkningstekniken fås smalare eller bredare (halvvärdesbredd) förstärkningsprofil. En "gain-guided" diodlaser är i stort sett alltid multimod medan en "index-guided" kan vara både singel- och multimod. Figur 3.1 visar typiska emissionsspektrum för en singel- och en multimod diodlaser. Figur 3.1a,b Emissionsspektrum för singel- och multimod diodlaser. Laservåglängden, p, för en multimodlaser anges för den topp med störst intensitet.  En diodlasers emitterade våglängd ändras med temperaturen. Detta kommer sig av att kavitetslängden, brytningsindex och bandgapet är temperaturberoende. Eftersom kavitetslängden och brytningsindex ändras med temperaturen på ett annat sätt än bandgapet kommer våglängd/temperaturkurvan att bestå av linjära områden avbrutna av våglängdshopp, s.k. modhopp, se figur 3.2. Kurvan är ritad under förutsättning att våglängden ökar monotont när temperaturen ökar. Figur 3.2 Emissionsvåglängdens temperaturberoende för en ideal diodlaser. Transversella moderStående vågor kan även bildas transversellt mot laserkaviteten, d.v.s. transversellt mot utbredningsriktningen. Det finns två transversella moder, en som är vinkelrät mot det aktiva lagret (den vertikala transversella moden) och en som är parallell med det aktiva lagret (den horisontella transversella moden). Vad som egentligen menas med vinkelrät, vertikalt, parallellt och horisontellt samt även bredd, höjd och längd kan ibland vara svårt att komma fram till. Definitionsmässigt orienterar man alltid en diodlaser som i figurerna 2.2 och 2.3, och från dessa figurer är det rätt självklart vad som menas. Med ett tunt aktivt lager (höjden) är den vinkelräta transversella grundmoden dominant. En diodlaser med en dubbelsidig struktur har alltid ett tunt aktivt lager. Bredden är alltid större än höjden hos en diodlaser så för den parallella transversella moden kan även högre ordningens moder existera. Oftast existerar endast grundmoden i en "index-guided" diodlaser medan det i en "gain-guided" diodlaser kan existera flera moder. DivergensPå grund av diodlaserkavitetens ringa storlek (BxHxL 3x1x300 µm3) är ljuset ut från diodlasern mycket divergent. Eftersom bredden är större än höjden är divergenskonen asymmetrisk. Man definierar därför två divergensvinklar, dels vinkelrätt mot och dels parallellt med det aktiva lagret, uppmätta där intensiteten gått ned till hälften av den maximala, se figur 3.3a. Divergensvinkeln vinkelrätt mot det aktiva lagret kan variera mellan 20 och 50 grader medan den parallella divergensvinkeln är mindre. AstigmatismAstigmatismen uppkommer p.g.a. den longitudinella avståndsskillnaden (betecknas As) mellan diodlaserns emissionspunkter vinkelrätt och parallellt med det aktiva lagret, se figur 3.3a. Skillnaden mellan emisssionspunkterna beror på att brytningsindex för halvledarmaterial är riktningsberoende (ordinärt och extraordinärt brytningsindex). Begreppet astigmatism tillskrivs även linser, men beror då på att strålar från en källa en bit från den optiska axeln träffar linsen asymmetriskt, se figur 3.3b. Storleken på astigmatismen varierar inte enbart mellan olika diodlasertyper utan även mellan diodlasrar av samma typ. Vanligtvis blir astigmatismen större för en diodlaser av typen "gain-guided" (cirka 20-50 m) än för en "index-guided" (cirka 5-15 m).  Figur 3.3 (a) Astigmatism och emissionsvinklar från en diodlaser, (b) astigmatism från en lins. PolarisationDen dominanta polarisationsriktningen för emissionsljuset från en diodlaser är parallellt med det aktiva lagret. Polarisationsförhållandet mellan den parallella och den vinkelräta komponenten är oftast större än 100:1. Polarisationsförhållandet är mindre nära tröskelvärdet eftersom den spontana emissionen relativt sett är större. AbberationerDiodlaserchipet skyddas ofta vid utkopplingssidan av ett fönster som normalt är mellan 0,1 och 0,3 mm tjockt. När den divergenta laserstrålen passerar genom fönstret uppkommer sfärisk abberation. Detta avbildningsfel uppkommer på grund av att de divergenta strålarna har olika infallsvinklar mot fönstret och därmed bryts olika mycket. 4.Kollimering och fokuseringSom vi har sett är strålen från en diodlaser divergent, asymmetrisk och astigmatisk. I de flesta fall krävs en kollimerad symmetrisk stråle (parallella strålar) oavsett om laserljuset skall expanderas och användas som koherent ljuskälla eller fokuseras till mikrometerstora ljuspunkter. Den kraftiga divergensen kräver att linssystemet har en stor numerisk apertur (NA). NA brukar användas som ett mått på hur mycket ljus som en lins kan samla in och definieras För att minimera återkoppling av laserljuset tillbaka till laserdiodens kavitet antireflexbehandlas alla ytor i det kollimerande linssystemet. Skulle en yta återkasta så lite som 0.01% av ljuset kan diodlasern börja lasra i den nya kaviteten skapad av den bakre fassetten och linsytan. Detta kallas optisk återkoppling och kan vara ett stort problem eftersom diodlasern då blir instabil både med avseende på uteffekt och frekvens. Ett exempel på ett linssystem som korrigerar för astigmatism, abberationer och asymmetrin i strålprofilen visas i figur 4.1.  Figur 4.1 Diodlaser med kollimerande och cirkuläriserande linssystem.
5. Elektriska egenskaperBilden på försättssidan av laborationshandledningen visar att det sitter en fotodiod "bakom" diodlaserkaviteten. Denna fotodiod, som är inbyggd i alla kommersiellt tillgängliga diodlasrar, monitorerar utsänd ljuseffekt från diodlasern, d.v.s. genom att mäta strömmen genom monitorfotodioden kan man få reda på diodlaserns uteffekt. I figur 5.1 visas ett mycket enkelt kopplingsschema för diodlasern och monitorfotodioden samt tre operationsdiagram, två för diodlasern och ett för monitorfotodioden. I verkligheten använder man sig av betydligt mer avancerade drivkretsar eftersom diodlasrar är mycket känsliga för elektriska urladdningar (se vidare under Kap. 6. Handhavande). Nedan följer en kortfattad beskrivning av några viktiga elektriska diodlasertermer. Tröskelström (Ith) Den minsta ström som krävs för laserverkan. När drivströmmen är mindre än tröskelströmmen överväger den spontana emissionen och vi har en lysdiod. När drivströmmen är större än tröskelströmmen är det övervägande stimulerad emission och vi har en diodlaser. Drivström (Iop) Den drivström (operationsström, injektionsström) som krävs för att diodlasern skall avge specificerad uteffekt (P0). Drivspänning (Vop) Spänningen över diodlasern när den avger specificerad uteffekt. Uteffekt (P0) Den av tillverkaren specificerade eller rekommenderade optiska uteffekten. Monitorström (Im) Strömmen från monitorfotodioden när diodlasern avger specificerad uteffekt. Effektivitet () Över tröskelströmmen beror uteffekten linjärt på strömmen och effektiviteten anger lutningen ( Maximal uteffekt (Pmax) Överskrids maximalt tillåten uteffekt uppkommer brännskador på fasetterna och värmeutvecklingen skadar halvledarstrukturen. Maximal drivström (Imax) Maximalt tillåten drivström. Se maximal utteffekt.  Figur 5.1 Enkelt kopplingsschema samt operationsdiagram för diodlaser och monitorfotodiod. 6. Externkaviteter och förstärkareI de diodlasrar som beskrivits hittills har laserkaviteten skapats av ändytorna på dioden. Reflektion i fasetterna ger återkoppling och en stående våg kan oscillera i kaviteten. Om en, eller båda, fasetterna anti-reflexbehandlas så kan mer ljus slippa ut ur dioden, vilket leder till att ljusintensiteten inuti minskar och att drivströmmen (laddningsbärartätheten) måste öka för att lasring ska ska, dvs tröskelströmmen ökar. Om reflektioner i ändytorna minimeras kan laserdioden placeras i en större kavitet, en externkavitet, och där fungera som ett förstärkande medium. När ljus oscillerar fram och tillbaks i den större kaviteten förstärks det varje gång det passerar genom dioden. Laserdioden kan också användas som en enkelvägsförstärkare (single pass amplifier) genom att en laserstråle helt enkelt skickas genom den och förstärks genom stimulerad emission i den aktiva regionen i dioden. Fördelen med att bygga externkavitetsdiodlasrar (ECDL), så som beskrivits ovan, är att linjebredden minskar, eftersom Lop-2 , där Lop är den optiska kavitetslängden. En annan fördel är möjligheten att sätta in fler element i kaviteten, t.ex. för stabilisering eller våglängdsavstämning. Figur 6.1 a,b visar exempel på externkavitetsdiodlasrar.   I Littrow-modellen, som visas i figur 6.1 b, har en laserfasett antireflexbehandlats, medan den andra fasetten utgör kavitetens ena ände. Kavitetens andra ände utgörs av ett reflektionsgitter. Gittret diffrakterar vissa våglängder tillbaks mot dioden, vilket ger den önskade återkopplingen. Genom att gittret vinklas kan den lasrande våglängden varieras inom diodens förstärkningsprofil. Figur 6.1 a, Laserdiod i en extern kavitet. b, ECDL med Littrow design. 7. HandhavandeDiodlasrar är relativt okänsliga för mekanisk åverkan och även om man bör undvika att tappa en diodlaser i golvet så händer troligtvis inget om man gör det. Möjligen skulle skyddsglaset kunna gå sönder. På grund av diodlaserns snabba respons och låga drivspänning (typisk 2 V) är den däremot extremt känslig för elektriska transienter (t.ex. statiska urladdningar). Även med korta pulser (nanosekund) kan den optiska effekttätheten i laserkavitet snabbt bli oacceptabelt hög (0,1 till 1 MW/mm2) vilket medför att laserfasetterna antingen direkt eller gradvis bränns sönder. Den normala användningstemperaturen för diodlasrar ligger mellan -10C och 50C. Genom att använda en diodlaser vid så låg temperatur som möjligt minskar risken för termisk skada och då håller den längre. Några praktiska råd vid handhavandet av diodlasrar:
8. Förberedelseuppgifter
9. LaborationsmomentSyftet med laborationen är att undersöka samt förklara några av diodlaserns optiska och elektriska egenskaper. Två laborationsuppställningar är tillgängliga, i den ena uppställningen finns en 650 nm diodlaser och i den andra en 670 nm diodlaser. Därmed kan ni även jämföra två olika diodlasrars egenskaper. Om inget annat anges, ställ in temperaturen 25°C på diodlaserkapseln. Varför tror ni att ni bör göra detta? Två viktiga praktiska detaljer under laborationen:
A. Inkoppling av diodlaser Koppla in en diodlaser och studera stråltvärsnittet samt ljusintensiteten vid olika drivströmmar.
B. Divergens Mät strålens horisontella och vertikala divergens med hjälp av en x-y translator och en fotodiod.
C. Kollimering Justera en lins (fokallängd: 3-4 mm) monterad i en x-y-z translator så att du kollimerar den divergenta strålen från diodlasern.
D. Polarisation Uppskatta polarisationsförhållandet med en polarisator, en lins och en multimeter.
E. Intensitet-ström diagram vid olika temperaturer Mät upp ljusintensiteten som funktion av drivströmmen vid olika temperaturer med en lins, en fotodiod, en svepgenerator och en x-y plotter.
F. Longitudinell modstruktur Studera den longitudinella modstrukturen med en spektrometer, en CCD-kamera, ett bildbehandlingsprogram och ett analysprogram, se uppställningen i figur 8.1. Med hjälp av spektrometern kan våglängden bestämmas. Spektrometerns skala gäller för ett gitter med 1200 ritsar/mm. Eftersom vi istället använder ett gitter med 1800 ritsar/mm måste avläsningarna korrigeras med faktorn 1200/1800. CCD-kameran har den känsliga arean 6,4 mm (H) x 4,8 mm (V) och antalet bild-element (pixel) är 699 x 576. Bildbehandlingsprogrammet Aequitas (Windows-baserat) hämtar signalen från CCD-kameran och digitaliserar den. Storleken på Aequitas-fönstret kan varieras men det största och det som vi kommer att använda är 628 x 307 pixel. I analysprogrammet Modspektrum (DOS-baserat) kan CCD-bilder (t.ex. spektrum) utvärderas och skrivas ut.  Figur 8.1 Experimentuppställning vid studium av longitudinell modstruktur.
G. Enkel våglängdsbestämning och bestämning av spåravstånd för en CD Bestäm våglängden för diodlasern med hjälp av en linjal och utnyttja denna bestämning för att beräkna spåravståndet för en CD. Att bestämma våglängden genom att utnyttja en linjal som ett diffraktionsgitter gjordes för första gången redan 1965 av Arthur L. Schawlow.  Figur 8.2 Experimentuppställning vid bestämning av (a) diodlaserns våglängd samt (b) spåravståndet för en CD. Våglängdsbestämning (se experimentuppställning figur 8.2a)
3. Linjalen fungerar som ett reflektionsgitter med en gitterkonstant d (som är lika med avståndet mellan millimeterstrecken). Gitterekvationen kan därmed användas enligt  m = 0, 1, 2, ….
För små vinklar kan denna ekvation förenklas till  ,
där Ym är avståndet mellan punkten 0 och punkten ym där m:te ordningens diffraktion träffar skärmen. 4. Markera punkterna y0, y1, y2, … på skärmen samt mät upp och anteckna i en tabell avstånden Y0, Y1 , … Bestäm avståndet L mellan linjalen och skärmen. Plotta (Ym2-Y02) som funktion av m, och använd lutningen på kurvan för bestämning av våglängden . Är resultatet rimigt? Bestämning av spåravstånd för en CD (se experimentuppställning figur 8.2b) 5. Du har i föregående uppgift bestämt laserljusets våglängd med hjälp av endast en linjal! Den framtagna våglängden kan nu användas för att beräkna spåravståndet för en CD. Belys en del av CD-skivan med den kollimerade diodlaserstrålen. Även CD-skivan kan betraktas som ett reflektionsgitter med spåravståndet d som bestämmer gitterkonstanten. Gitterekvationen enligt ovan kan förenklas för små infallsvinklar (i0) till uttrycket  m = 0, 1, 2, ….
Mät upp avstånden L samt w1 och w2 (definierade enligt figur 8.2b), och använd formeln ovan för bestämning av spåravståndet d. Gör om mätningen med en DVD. Jämför. Yüklə 90,15 Kb. Dostları ilə paylaş:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, där n0 är luftens brytningsindex och är vinkeln från strålkonens mitt (intenstitetsmaximum) till det värde där intensiteten minskat till hälften. Arbetsavståndet från linsens första yta till laserdiodens fassett blir därför kort (typiskt 3 mm), vilket i sin tur betyder att injusteringen av en laserdiod till sin optik blir mycket känslig. Dessutom är varje diodlaser en individ, tillverkaren kan inte ange annat än typiska värden för diodlasern vilket också komplicerar upplinjeringen.
) på intensitet-strömkurvan.