Полупроводниковый лазер

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий излучающий элемент с активной областью, фокусирующий и отражающий элементы, причем отражающий элемент расположен в перетяжке пучка лазера, отличающийся тем, что, с целью повышения длины когерентности излучения при одновременном увеличении стабильности и упрощении перестройки частоты излучения, отражающий элемент выполнен в виде отражательного интерферометра с необращенными полосами.
2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что фокусирующий элемент выбран таким, что длина перетяжки пучка лазера больше длины интерферометра.

Изобретение относится к квантовой электронике, точнее к перестраиваемым полупроводниковым лазерам, используемым в системах обработки информации и для спектральных исследований.
Известен способ перестройки частоты излучения полупроводникового лазера, заключающийся в генерации излучения в активной области лазера, расширении пучка излучения и получении параллельного пучка, использовании отражательной дифракционной решетки для селекции мод и возвращения отраженного излучения в активную область лазера. Перестройка частоты излучения осуществляется поворотом дифракционной решетки.
Недостатком способа является малая длина когерентности и сложность в настройке. Малая длина когерентности является следствием технических флуктуаций частоты излучения, которая возникает вследствие неустойчивости работы лазера при угловой разюстировке решетки. Значительная неустойчивость является в основном следствием малых поперечных размеров активной области инжекционного полупроводникового лазера (0,1-3 мкм). При этом значительно усложняется настройка лазера.
Наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый лазер, содержащий излучающий элемент с активной областью, фокусирующий и отражающий элементы, причем отражающий элемент зеркала расположен в перетяжке пучка лазера. Перестройку частоты излучения осуществляют перемещением внешнего зеркала.
Недостатком способа является сложность настройки и малая длина когерентности излучения как следствие многомодовой генерации, имеющей место из-за отсутствия селектирующего элемента в резонаторе лазера. Также наблюдается нестабильность частоты излучения при механических воздействиях.
Цель изобретения - повышение длины когерентности излучения при одновременном увеличении стабильности и упрощении перестройки частоты излучения лазера.
Поставленная цель достигается тем, что отражающий элемент выполнен в виде отражательного интерферометра с неотраженными полосами. Кроме того, фокусирующий элемент выбран таким, что длина перетяжки пучка лазера больше длины интерферометра.
Для пояснения конструкции устройства приведен чертеж с блок-схемой перестраиваемого полупроводникового лазера с излучающим элементом 1 и его активной областью 2, микрообъективом 3, отражающим интерферометром 4 с неотраженными полосами. Рабочая поверхность излучающего элемента и зеркало отражательного интерферометра 4 (излучение проходит весь интерферометр и отражается от зеркала) расположены в сопряженных плоскостях микрообъектива 3. Интерферометр 4 состоит из полупрозрачной пленки, зеркала, помещенного на расстояние d от пленки. Пространство между пленкой и зеркалом заполнено средой с показателем преломления n. Пленка и зеркало могут быть расположены как параллельно, так и под углом.
В полупроводниковый лазер входит многомодовый излучающий элемент при толщине активной области а 1 мкм и с длиной когерентности излучения (без интерферометра) 1_к < 1 см.
Генерация излучения в лазере возникает лишь в пиках коэффициента отражения отражающего интерферометра 4. Расстояние между пиками коэффициента отражения интерферометра f= . В случае, если межмодовый интервал интерферометра
f > f_л, где f_л - ширина линии генерации лазера, то в лазере наиболее просто возникает режим одномодовой генерации.
При фокусировке излучения активной области 2 на отражающий интерферометр 4 с необращенными полосами вблизи последнего формируется перетяжки, в пределах которой волновой фронт плоский. Диаметр перетяжки можно оценить величиной А = К а, где К - увеличение оптической системы. Для микрообъектива 0,65 х 40 диаметр перетяжки А 40 мкм.
В случае использования в качестве отражающего интерферометра устройства с полупрозрачной металлической пленкой и плоским зеркалом имеет место необращенный вид полос излучения. Наличие металлической пленки вносит дополнительные, селективные по частоте потери в интерферометре. Потери не испытывает стоячая волна излучения лазера, для которой пленка находится в узле. Таким образом, лазер будет излучать только на таких длинах волн, которые, во-первых, находятся в пределах линии усиления f_л; во-вторых, для которых выполняется условие N=d , N - целое число, т.е. в интерферометре укладывается целое число полуволн. Для получения одночастотной генерации необходимо выполнить условие _ус< = , где - длина волны генерации, - спектральный диапазон, разделяющий две стоячие волны в интерферометре. Оцениваем для _уc = =15 нм и 0,8 мкм d = 15 мкм.
Длина перетяжки Z= = . Для обеспечения работы интерферометра необходимо выполнять условие Z >> d, при этом в его объеме фронт волны плоский. Для нашего случая (а = 1 мкм, К = 40, = 0,8 мкм) Z = 0,4 см.
Таким образом, при d = 15 мкм интерферометр заведомо находится в объеме с плоским фронтом излучения.
Перестройку частоты излучения осуществляют различными способами.
В первом случае, выбранном нами для перестройки, т.е. для изменения положения пика коэффициента отражения отражающего интерферометра, изменяют эффективную оптическую длину интерферометра 4, используя электрооптический эффект, т.е. изменение показателя преломления среды при изменении внешнего электрического поля. Изменение показателя преломления n в интерферометрe на n/n изменяет частоту генерируемого излучения на f/f. При этом, например, для = 0,85 мкм изменение n/n = 10^-4 приводит к изменению f = 10 ГГц. Этот способ наиболее целесообразно использовать в источниках излучения с быстрым свипированием частоты и узкой линией генерации.
В другом случае подстройку частоты излучения осуществляли изменяя расстояние d в интерферометре. При этом d = 0,2 мкм для = 0,85 мкм и d = 15 мкм изменяет длину волны в диапазоне = 10 нм.
В третьем случае для обеспечения плавной перестройки частоты излучения изменяли оптическую длину интерферометра. При этом отражающий интерферометр выполнен в виде клина. Для обеспечения перестройки на < _уc необходимо выполнить = условие, где L - рабочая длина клина. При = 10 нм. L 1 см, N 40, = 2 10^-5 рад.
Перестройка частоты излучения лазера в пределах линии усиления обеспечивается при перемещении клина, образованного металлической полупрозрачной пленкой и зеркалом, поперек пучка лазера в области перетяжки. Перемещение осуществляется, например, микровинтом. Поперечное перемещение интерферометра l вызывает изменение оптической длины интерферометра на d = l, что приводит к изменению длины волны излучения.
Экспериментальное исследование перестраиваемого полупроводникового лазера показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) предложенное устройство позволяет увеличить длину когерентности в 4-9 раз, значительно упростить перестройку частоты излучения и повысить стабильность частоты при механических воздействиях.
Использование: системы обработки информации, приборы для спектральных исследований. Сущность изобретения: полупроводниковый лазер содержит активную область, фокусирующий и отражающий элементы. Отражающий элемент выполнен в виде отражательного интерферометра с необращенными полосами и помещен в перетяжке пучка лазера. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.