ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ИЗЛУЧАТЕЛИ СИСТЕМ НАКАЧКИ НА ОСНОВЕ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ

Существует четыре типа излучателей, используемых в системах накач­ки на основе диодных лазеров. Перечислим их в порядке увеличения вы­ходной мощности: (1) однополосковый диодный лазер (англ. single stripe diode laser); (2) линейка однополосковых диодных лазеров (англ. diode ar­ray); (3) блок линеек диодных лазеров (англ. diode bar); (4) сборка блоков линеек (англ. stacked bars).

Наименьшую выходную мощность (Р < 100 мВт) имеют однополосковые диодные лазеры, такие как лазер с волноводом, сформированным распреде­лением показателя преломления (англ. index-guided laser), показанный на рис. 6.9а. С помощью подходящего изолирующего оксидного слоя ток на­качки диода ограничен в полоске шириной 3-5 мкм, тянущейся вдоль всей длины диода. Поперечное сечение выходящего пучка излучения имеет фор­му эллипса с осью d± « 1 мкм в плоскости, перпендикулярной плоскости р-п перехода, и осью d\« 3-6 мкм в плоскости р-п перехода. Обладая столь малы­ми размерами, пучок является пространственно когерентным, т. е. дифрак­ционно-ограниченным. Действительно, характерная величина половины угла расходимости по уровню интенсивности 1/е2 составляет 0± = 20° = 0,35 рад в плоскости, перпендикулярной плоскости р-п перехода. Это означает, что 0± = 2X/nd±, если принять, для длины волны X = 800 нм, что d± = 1,4 мкм. В пло­скости перехода половина угла расходимости обычно равна 0ц = 5° = 0,09 рад, и снова получаем, что 0ц = 2X/ndp если положить d\ = 5,8 мкм. (В обеих плос­костях предполагается гауссово распределение интенсивности с размерами пятен w01 = d±/2 и |0оц = dj/2, так что расходимость пучка рассчитывается в соответствии с соотношением (4.7.19).) Отметим, что ввиду такой большой разницы между расходимостями пучка в обеих плоскостях главная ось его поперечного сечения поворачивается на 90° после распространения пучка всего на несколько микрон от выходной грани диода.

3 мкм	Металлический контактный слой / р-ОаАэ / (покрытие) Р-ОаА1Аз ОаАЬАз (активный слой) Л-ОаА1Ав П-ОаАз (подложка)
Проте ИМПЛ£
W-GaAlAs N
P-GaAlAs Активная Область
Л-GaAs
Пучок Сколотая грань
Металлический контактный слой

Рис. 6.9

(а) Однополосковый полупроводниковый лазер с волноводом, сформированным распределением показателя преломления и (б) монолитная линейка однополосковых диодных лазеров в одной полупроводниковой микросхеме

Рис. 6.10

(а) Монолитный блок линеек диодных лазеров длиной 1 см для излучения в непрерывном режиме и (б) сборка блоков линеек для излучения в квазинепрерывном режиме

Для ТОГО чтобы получить более высокие выходные МОЩНОСТИ, использу­ют монолитную линейку однополосковых диодных лазеров, изготовленных на одной полупроводниковой подложке (рис 6.96). Обычно такая линейка содержит 20 полосок, шириной 5 мкм каждая, с расстоянием между цен­трами полосок ~10 мкм. Общие размеры излучаемого пучка составляют й\ = 200 мкм х с1± = 1 мкм, так что для линеек с некоррелированными фаза­ми расходимости пучка равны 0± = 20° и 0ц = 5°, т. е. такие же, как и для одной полоски. Расходимость пучка 0ц в плоскости, параллельной р-п пере­ходу, в этом случае примерно в 40 раз превышает дифракционный предел (0||7гс£ц/2А, = 34). На самом деле, в маломощных линейках между излучением отдельных полосок может возникать некоторая фазовая корреляция, что приводит к характерному угловому распределению излучения с двумя лепе­стками, отстоящими друг от друга на ~10° и имеющими ширину ~1° каждый. Мощность излучения на выходе таких линеек может достигать -2 Вт.

Для того чтобы получить еще большие выходные мощности, можно опи­санные выше лазерные линейки изготовить и последовательно разместить на одной подложке, сформировав таким образом монолитный блок линеек диодных лазеров (рис. 6.10а). Устройство, показанное на этом рисунке, со­стоит из 20 линеек, центры которых разнесены на 500 мкм; при этом каждая линейка имеет длину 100 мкм и состоит из 10 однополосковых лазеров. Сум­марная длина такого блока линеек составляет, таким образом, ~1 см, что является пределом, обусловленным технологией производства. Пучки от­дельных полосковых излучателей можно, как и ранее, считать нескоррели - рованными по фазе, а суммарные мощности излучения на выходе блока ли­неек обычно достигают 10-20 Вт.

Идея объединять линейки диодных лазеров в блоки может быть развита дальше и использована для изготовления сборки блоков линеек, в которой от­дельные излучатели образуют двумерную матричную структуру. На рис. 6.106 показаны 6 блоков линеек, длиной 1 см каждый, которые уложены слоями так, чтобы сформировать излучающую площадку с размерами 0,2 см х 1 см. Такие сборки блоков линеек предназначены для квазинепрерывной работы с
коэффициентом заполнения до 2%. При этом пиковая плотность мощности излучения может достигать 1 кВт/см2, а средняя плотность мощности — 100 Вт/см2.

При накачке лазерных материалов, таких как Nd:YAG, которые имеют узкие линии поглощения, необходимо учитывать ширину спектра излуче­ния диодных лазеров. Ширина спектра излучения одиночной полоски мо­жет составлять всего 1 нм, что хорошо согласуется, например, с шириной (-2 нм) пика поглощения Nd: YAG вблизи 808 нм. В случае линеек диодов, а тем более блоков линеек и матричных сборок этих блоков, ширина спектра излучения может быть существенно больше указанной величины из-за ком­позиционных различий между полосками, а также из-за температурных гра­диентов. Обе эти причины приводят к различию в длинах волн излучения отдельных полосковых лазеров. В настоящее время наилучшим результа­том для блока линеек является спектральная ширина ~2 нм. Перестройка и стабилизация длины волны излучения обычно осуществляется путем охла­ждения диодных лазеров: термоэлектрическим элементом Пельтье — в слу­чае маломощных устройств, и с помощью жидкостного охлаждения — в слу­чае наиболее высоких мощностей. Как правило, требуются температурная стабильность и точность установки температуры не хуже 1°С.