книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

модульный принцип конструирования решеток лазерных диодов; использование наряду с одностронним двустороннего теплоотвода от диодов лазера

Известные патенты на конструкции мощных решеток лазерных диодов [2] сви -' детельствуют о том, что;1) принципиально возможно создание решеток диодов со средней мощностью импульсов излучения до 10-16 кВт и расходимостью луча на выходе оптической системы 2x2°; 2)основное внимание разработчиков направ­ лено на повышение энергетической яркости и получения компактных решеток; 3) увеличение мощности излучателей достигается как за счет некогерентного, так и за счет когерентного сложения мощности отдельных лазерных диодов; 4) используются многослойные излучающие структуры, а также последовательное соединение лазерных диодов с термоэлементами для эффективности теплосъема.

Сравнительно широкая диаграмма направленности отдельных лазерных диодов и сложная структура мощных рещеток потребовали для формирования излучения лазера с необходимыми параметрами (однородность генерируемого потока, размеры'эквивалентного тетя свечения и тщ.) применения оптических систем специальной конструкции. Так, широкое распространение получили цилиндрические линзы, многогранные зеркальные поверхности и световодные коллекторы. Функции цилиндрических линз могут выполнять отрезки световодов, наклеиваемые на излучающие поверхности лазерных диодов. В некоторых лазерах отражающие поверхности специальной формы используются, в сочетании

спараболическим рефлектором.

Вряде случаев могут применяться формирующие элементы с показателем преломления, зависящим от расстояния до оптической оси, либо объективы с

переменным фокусным расстоянием. После ’’переноса” тел свечения отдельных лазерных р'ешеток в единое тело реализуются известные методы формирования лазерного луча

Характер изменения основных параметров ПКГ имеет общую закономер­ ность, определяемую структурой и выбором материала полупроводникового юзера Для примера на рис. 1.14,1.15 представлены зависимости характеристик 1КГ типа ЛПИ-9 при изменении рабочей, температуры и амплитуды импульсов «качки 4.

Рис.1.14. Область изменения тока накачки от температуры из условия обеспе­ чения номинального уровня излучаемой мощности: 1 - среднее значение тока накачки; 2 - допустимое отклонение величины тока накачки; 3 - зона допус­ тимого тока накачки

Рис.1.15. Изменение мощности излучения ЛПИ-9 от тока накачки: 1 —t >=-50 "С; 2 —f =+20 *С;3 —t - +65 °С

21

Характерная особенность полупроводниковых излучателей состоит в том, чп кристаллы установлены на металлической базе, служащей теплоотводы Корпус для повышения долговечности полупроводниковых лазеров, как правил> герметизирован. Полупроводниковые излучатели типа ЛПИ-9, ИЛПИ-102, ИЛПИ-1С выполнены с согласующим трансформатором в единой конструкции, позволяюще обеспечить накачку лазера при меньшем токе в первичной обмотке. Это позволж уменьшить амплитуду выходных импульсов генератора накачки в 6-12 раз. Д/ ослабления влияния индуктивности трансформатора на фЬрму импульса во буждения лазера вторичная обмотка выполнена в виде объемного витка.

Полупроводниковые лазеры типа ЛПИ-101, ЛПИ-102 содержат в свое составе динисторный генератор накачки. Параметры ЛПИ-102 отличаются i параметров ЛПИ-101 меньшей импульсной мощностью (2,7 Вт) при токе потре дения 4 = 40 мА (ЛПИ-101 имеет 4 = 50 мА).

Для использования инжекционных лазеров в качестве источников свер коротких оптических импульсов необходимо рассмотреть вопрос обеспечена эффективности генерации в субнаносекундном диапазоне и исследовать быстр действие ПКГ. Кроме того, значительный практический интерес представлж изучение возможности увеличения излучаемой мощности за счет сокращен» длительности сигнала Специфика работы инжекционных лазеров при малс длительности импульсов накачки объясняется формой вольт-амперной хара теристики (ВАХ). В исходном состоянии, при отсутствии тока накачки, дифф ренциальное сопротивление ПКГ велико, и короткие импульсы тока шунтируютс эквивалентной емкостью, не обеспечивая требуемого режима генерации. Изл чение сверхкоротких сигналов достигается с помощью импульсного пре, порогового смещения, когда рабочая точка ПКГ предварительно выводится я начало крутого участка ВАХ с малым дифференциальным сопротивлением шунтирующее действие емкости существенно ослабляется. Экспериментальны исследования двухдиодных лазерных излучателей, применяемых в лазер ЛПИ-101 (мощность импульса Ри = 4 Вт, ток накачки 4 * 25 А, пороговый то 4 => 3 А), подтверждают наличие данного эффекта.

Следует отметить, что влияние данного эффекта существенно уменьшаете при возбуждении мощных полупроводниковых лазеров с большим количество» элементов в решетке. Это объясняется тем, что последовательно-параллельно соединение элементов сокращает шунтирующее влияние емкости в больше степени, чем увеличение динамического сопротивления решетки.

Мощные инжекционные лазеры (ри > 20 Вт), содержащие 8 и более диодое характеризуются определенной инерционностью, которую необходимо учитыват при создании оптических измерительных систем субнаносекундного диапазоне Оценить эту инерционность позволяют параметры ряда полупроводниковы) генераторов, измеренные при накачке токовыми импульсами с амплитуде» 4 = 60 А, длительностью т = 10 нс и фронтом Тф = 1 нс и приведенные в табл. 1.4 Полученные результаты свидетельствуют о способности мощных ПКГ генерм ровать импульсы с временем нарастания Тф = 1 нс и менее. Причем быстро действие лазеров определяется индуктивностью корпуса 4с и активным сопро тивлением Я : ^ = Ц/R Некоторое увеличение 4с мощных решеток компенсируете большим сопротивлением R = 2 -4 Ом, и таким образом реализуется мала инерционность ПКГ.

Влияние индуктивности выводов типового корпуса на работу мощных инжен ционных лазеров в нано- и субнаносекундном диапазонах длительностей оц«

22

$ивалось следующим образом. Фиксировались параметры импульса накачки на эквивалетном сопротивлении нагрузки 1 Ом (кривая 1, рис.1.16). Затем это же

сопротивление (безвыводной резистор) устанавливалось в корпус ПКГ ИЛПИ-110 на место лазерной решетки, а генератор накачки подключался к выходным проводникам корпуса (кривая 2). Сравнение указанных кривых показывает, что

при длительности импульса накачки т = 3 нс индуктивность проводников длиной 20 мм снижает амплитуду тока на 27% , а форма импульсов искажается незна­ чительно, т.е. при достаточной мощности генератора накачки серийные лазеры могут использоваться в диапазоне длительностей до 3 нс.

Таблица 1.4

Параметры излучателей, измеренные при наносекундной длительности импульсов накачки

в корпусе ПКГ

Достигнутые значения мощности Ри подтверждают теоретические положения

модели "микровзрыва” [9], когда сокращение длительности импульса излучения 1риводит к увеличению критической плотное^ оптического потока Ф^, по мере 1риближения к которому резко возрастает вероятность саморазрушения торцов сристалла

Согласно указанной тепловой модели разрушение материала ПКГ происходит следствие резкого локального разогрева активной среды под действием птического потока В одномерном приближении уравнение теплопроводности меет вид

d t

23

где Т - температура; к - теплопроводность; С, - удельная теплоемкость; р плотность среды; W(I) - плотность источников тепловыделения. При положи* тельном значении <JW/dT уравнение имеет “взрывные” решения, особенностью

которых является наличие некоторого “индукционного” времени, в течение которого тепловые источники действуют, но сначала наблюдается медленный рост температуры. Затем происходит разкий рост температуры и возникающее из-за разогрева термоупругое напряжение может превосходить прочность материала или вызвать в- конечном итоге локальное расплавление активной среды.

Причиной положительной обратной связи в тепловом балансе (dW/dT > 0)

является, предположительно, уменьшение ширины запрещенной зоны в полу* проводниках А3 В5 с ростом температуры.

Указанный локально нагретый участок начинает поглощать лазерное излу* чение, т.е. локальное тепловыделение нарастает. Кроме того, сужение запре* щенной зоны сопровождается уменьшением разности потенциалов в инжек­ тирующем контакте, что ведет к локальной концентрации плотности тока накачки. Расчеты показывают, что при достаточно, большой плотности оптического потока возможен тепловой взрыв в форме быстрого (за 1-10 нс) нарастания темпе­ ратуры на (0,5—1J-103 К в области с характерными размерами 1-5 мкм.

Наличие “индукционного” времени задержки микровзрыва оказывает значительное влияние на Ф^. Ёсли длительность импульса излучения при заданном уровне оптической плотности потока меньше, чем это время задержки, то разрушительный тепловой микровзрыв не развивается. Энергия излучения, вложенная в разрушительный процесс вследствие поглощения, пропорциональна мощности излучения и длительности импульса С учетом влияния времени задержки и ряда других факторов зависимость критической мощности оптичес­ кого саморазрушения от длительности импульса т выражается как

Ф^%тп,

где т , по опытным данным, для GaAs и AIGaAs составляет от 0,5 до 0,25 [5].

Таким образом, сокращение длительности излучаемых импульсов со 100 нс до единиц наносекунд приводит к значительному возрастанию критической мощности саморазрушения, т.е. дает возможность повысить импульсную мощ­ ность лазерных излучателей в 3 -10 раз.

Генерация коротких сигналов позволяет резко увеличить частоту повторения излучаемых импульсов без превышения допустимого температурного режима ПКГ. Результаты исследований, подтверждающие практическую реализуемость данного направления на типовых излучателях, приведены на рис. 1.17-1.19. Полученные данные показывают, что за счет сокращения длительности импульсов, т.е. за счет уменьшения теплового разогрева крйсталла П^Г, можно повысить мощность излучение путем увеличения тока накачки или значительно увеличить частоту повторения импульсов без существенного снижения амплитуды опти­ ческого сигнала

Для пояснения вышесказанного введем понятие средней мощности излу­

24

т

sc

Рис.1.17. Изменение излучаемой мощности от частоты повторения импульсов накачки излучателя ИЛПИ-102при т =20нс:1 -1 Н= 15А;2 -JTH= 12А

Рис.1.18. Изменение мощности излучения ПКГ ИЛПИ-110 за счет частоты повто­ рения импульсов накачки: х =20нс; 1нв 20А

о * г9мс

>Рис.1.19. Изменение величины мощности излучения от длительности импульса

(т) для ИЛПИ-1000 (1 - / п~ 1 кГц; 2 - /„ « 3кГц З -/„ = 6кГц)

менной, если пропорционально увеличению импульсной мощности Р ^ пуменьшить

длительность импульса при сохранении той же частоты/п или увеличить частоту повторения / п и во столько же раз умейьшить длительность импульса т при неизменной?имп и тепловом балансе кристалла ПКГ. При этом (рис. 1.20) тепловой разогрев кристалла ОКГ, который определяется средней мощностью, не превы­ шает допустимого уровня. Дальнейшее повышение частоты повторения / п дости­ гается за счет поочередной накачки нескольких излучателей, т.е. за счет при­ менения кратковременного форсированного режима работы ПКГ.

Результаты исследований этого режима работы ,при скважности пакетов ?п = 4 представлены на рис. 1.21-1.23. Из рисунков видно, что кратковременная эабота в режиме излучения ограниченного пакета с частотой импульсов до Ю -50кГц не приводит к перегреву излучателя.

Анализ технических данных импульсных ПКГ показывает, что для обеспеения стабильной импульсной мощности излучения лазера необходимо обеспеить при малой нагрузке RH= 0,1-0,5 Ом относительно большой импульсный ток акачки 1Н= 25-100 А при т = 2-200 нс, амплитудное значение которого должно

егулироваться в соответствии с изменением температуры окружающей средьь

25

Рис.1.20. Зависимость температуры корпуса полупроводникового лазера. от частоты повторения токовых импульсов: 1 - ИЛПИ-102, / н = 15 А; т = 40 нс, 2 - ИЛИИ-110,/ н=25А; т - 20нс; N - 5 - пакетированный режим

Рис.1.21. Изменение излучаемой мощности от частоты повторения импульсов накачки в пакетированном режиме работы ИЛПИ-102: т * 40 нс; 1 - J = 15 А;

IV*5 ;2 - JH= 15A; JV= 10; 3 - / * 20 A; JV- 5; 4 - /н= 20 А; IVе 15; 5 - 1 =20А; IVs 32

Рис.1.22. Изменение излучаемой мощности от частоты повторения импульсов накачки в пакетированном режиме работы ИЛПИ-110 (/н = 20 А; т = 20 нс;

Рис.1.23. Изменение излучаемой мощ­ ности от частоты повторения импульсов накачки в пакетированном режиме работы ИЛПИ-110 (Гн * 25 А; т ■ 20 нс; N * 5; 1 - амплитудная характеристика первого импульса накачки; 2 -средняя импульсная мощность в пакете

Если учесть, что генератор накачки должен быть выполнен в весьма огр< ниченном объеме, а также, принимая во внимание трудности создания близкой идеалу элементной базы по формированию импульсов тока большой величины малой длительности, становится очевидным, что проблема практической реал> зации такого генератора накачки является актуальной.

Основные параметры инжекционных лазеров непрерывного режима работ представлены в табл. 1.5. Для лазерных диодов, изготовленных из GaAlA рабочий ток составляет 60-500 мА при средней мощности излучения в непр рывном режиме 3-40 мВт. Дифференциальное сопротивление указаннь излучателей, равное отношению приращения напряжения на нем к приращени тока накачки, имеет величину около 10 Ом.

26

*- 0 термохолодильником.

Впределах паспортного значения тока накачки допускается амплитудная непрерывная и импульсная модуляции. Полоса модуляции непрерывного излу­ чения определяется главным образом конструкцией корпуса и индуктивностью выводов прибора и составляет, как правило, 0,3-2 ГГц.

Всвязи с высокой крутизной ватт-амперной характеристики (увеличение тока на 1 % приводит к возрастанию мощности излучения на 10-20 %) источник питания должен обеспечивать установку паспортного номинального значения тока накачки с погрешностью не более ±0,5% и пульсациями менее 0,5%. Ука­ занные жесткие требования к стабильности генераторов накачки при изменении температуры окружающей среды в широких пределах не могут быть выполнены без автоматического управления током накачки. Управление генератором накачки осуществляется, во-первых, по априорной информации (с учетом зави­ симости генерируемого тока от температуры), во-вторых, путем измерения и стабилизации тока накачки. В первом случае необходим датчик температуры, во втором - низкоомный контрольный резистор. Аналогично стабилизируется частота модуляции излучения.

27

Влияние температуры на длину волны и генерируемую мощность излучател| может быть значительно ослаблено за счет использования термоэлектрической батареи (микрохолодильника). Управляя направлением и величиной тока питания батареи, осуществляют охлаждение или подогрев лазерного диода, т.е. обеспе чивают постоянство его температуры. Мощность, потребляемая микрохоло дильником, составляет 3 -7 Вт.

Рис.1.24. Изменение мощности непрерывного излучения от тока накачки для ПКГ с непрерывным режимом излучения

На рис. 1.24 для ряда ПКГ приведена зависимость изменения мощно#

полоскового JnGaAsP/JnP лазера непрерывного действия с длиной волн излучения х * 1,3 мкм. При температуре 300 К его ватт-амперная характеристик линейна в импульсном режиме до 60 мВт, а в непрерывном - до 12 мВт (ри с.1^

28

Рис.1.25. Характеристики непрерывных лазеров: частотная (в) и поляризацион­ ные (б и в)

В работе [50] рассмотрена эквивалентная схема инжекционного лазера в режиме большого сигнала, позволяющая моделировать динамические процессы при токе накачки как ниже, так и выше порога генерации. Падение напряжения на переходе ПКГ отображается двумя диодами Шокли с ВАХ экспоненциального вида Модель предназначена для систем автоматизированного проектирования устройств оптоэлектроники. В оптических измерительных системах важную роль Играет информация о спектре излучения, когерентности и поляризации света ^flo первым двум вопросам можно найти исчерпывающие сведения в работах [1,9]. Известные исследования поляризации излучения диодов из арсенида галлия [131] показывают, что существует разное направление ее у различных мод излучения. При токах* значительно ниже порогового, обнаружена заметная поляризация. Степень ее в этом случае одинакова во всем спектральном диапазоне излучения. Около порога генерации степень поляризации составляет 0,3-0,5. В момент достижения порогового тока излучение мод сильно поляризовано (степень поляризации 0,9), и все моды имеют одинаковую ее плоскость. При очень больших плотностях тока наблюдается уменьшение степени поляризации, и для некоторых

диодов плоскость ее заметно изменяет свою ооиентацию.

Экспериментальные исследования современных лазеров подтвердили

4 достигает 0,97 при 1н= 200 мА (рис.1.25,6). Интересно, что характер функции tpffH) существенно зависит от длительности токовых импульсов. Влияние формы сигнала на степень поляризации излучения обнаружено при накачке лазера

29

1.3.ТРЕБОВАНИЯ К ФОРМЕ ИЗЛУЧАЕМЫХ ИМПУЛЬСОВ И ДИАГРАММЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Оптические передатчики, как правило, используются в едином комплексе < фотоприемными устройствами, и их работа связана с наличием совокупност! таких дестабилизирующих факторов, как аэрозольные образования естественной и искусственного происхождения, климатические условия и т.д. Применительно i системам локации, дальнометрии и связи требования к форме излучаемы: импульсов и к диаграмме направленности оптического передатчика определил из условия обеспечения минимальной амплитуды сигнала обратного рассеяния

Одним из основных параметров оптического передатчика является прост ранственное разрешение, определяемое расходимостью светового луча. Оче видно, что при узкой диаграмме излучения *и малом разрешении по дальносл излучаемого импульса уровень обратного рассеяния будет минимальным. Пр| малой длительности световых импульсов и узких диаграммах направленносп поставленную задачу можно решить на основе теории однократного рассеяния При этом импульсную характеристику аэрозольной среды [18] представил выражением

К = Ъ /„ 0о S(H) exp (-2 oHj/WQ2 ,

где S^ - площадь входного окна приемного объектива; / п (0) - индикатриса рассеяния; о - коэффициент обратного рассеяния; s(H) - относительная площад!

перекрытия диаграмм приемника и передатчика; Я - текущая дальность; 0 - yroj поля зрения объективов.

Мощность сигнала обратного рассеяния на входном окне фотоприемнию при экспоненциальной, колоколообразной и прямоугольной формах излучаемы) сигналов соответственно равна

R

Р ^ Э(Ю » {[А 0О е х р (2 о К к - fci? )]/ 8a } $ [S (H )/H * ] exp [ - Н Д о - к ) ]dh

Л К

Рвхдс (Ю = (Е Л , О ехр (2о Як - k 2R 2 л Д /е а} f [S (H )/H <] exp [ - Н /2 о - 2 k 2Rn

«к

+ к 2Н ] Ш ;

л

Рвх п (Ю = ЕЕА> о ехр (2оКк) ] /9 2} $ [S (H )/H *] е х р (-2 oH)dH,

Лк

где А>= 4 Pcf (6) S ^/n т= 1/«с= 1/л/itpTусловие нормировки прямоугольной экспоненциального и колоколообразного импульсов; Р0- импульсная мощное

излучения; Лк - зона нечувствительности ("мертвая зона”) локатора Результат расчета на ЭВМ (приложение 1) при Ра= 100 Вт; / ( 6 ) = 0,02; 5Ю= 12,5-Ю -4 м4 now

заны на рис. 1.26-1J2S.

Из расчетов следует, что отраженный колоколообразный импульс имег минимальное амплитудное значение, которое достигается при наименьше

30