Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок та проектування напівпровідникового інжекційного лазера
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
Курсова робота
з курсу Основи проектування та конструювання лазерів
на тему:
“ Розрахунок та проектування напівпровідникового інжекційного лазера ”
Зміст
Технічне завдання……………………………………………………………...3
Вступ…………………………………………………………………………....4
1. Діодний лазер………………………………………………………………..5
1.1 Приклад сучасного діодного лазера………………………………………5
1.2 Застосування сучасного діодного лазера…………………………………6
2. Теоретичні основи діодного лазера………………………………………...10
2.1 Підсилення і генерація світла в активних середовищах………………...10
2.2 Конструкція і робота інжекційних лазерів……………………………….14
2.3 Поріг генерації і ККД інжекційних лазерів………………………………18
3. Розрахунок параметрів діодного лазера……………………………………22
3.1 Розрахунок конструктивних параметрів………………………………….22
3.2 Розрахунок енергетичних параметрів…………………………………….23
3.3 Розрахунок спектральних та просторових параметрів…………………..24
4. Конструкція лазера…………………………………………………………..26
Висновки………………………………………………………………………...27
Література……………………………………………………………………….28
Технічне завдання
Розрахувати діодний інжекційний лазер з довжиною хвилі генерації 0,44 мкм; вихідною потужністю не менше 25 мВт; розбіжністю променя на виході з лазера не більше 0.4 рад та діаметром пучка не більше 0,8 мм.
Вступ
Можливість використання напівпровідникових матеріалів давно притягувала до себе увагу фізиків та інженерів. Це не дивно, оскільки напівпровідники мають високу чутливість до зовнішніх впливів. Їх властивостями можна управляти в дуже широких межах, змінюючи температуру або тиск, діючи на них світлом або потоком заряджених частинок, вводячи різноманітні домішки.
На сьогоднішній день створено велику кількість напівпровідникових лазерів різних типів; охолоджуваних і не охолоджуваних з різними схемами збуджень. Ці лазери перекривають значний діапазон довжин хвиль від ультрафіолету до дальньої інфрачервоної області[ 9 ].
В даній роботі буде розглянуто перспективи та переваги діодного інжекційного лазера, а також буде розраховано для прикладу параметри такого лазера.
1. Діодний лазер
1.1 Приклад сучасного діодного лазера
Сиролазер - це компактний діодний лазер.
Завдяки своїм невеликим розмірам (78 Х 45 Х 190 мм) і малій вазі (450 г), SIROLaser може встановлюватися прямо на блок лікаря як додатковий інструмент і легко інтегрується в лікувальний процес.
У лазері використовується випромінювання з довжиною хвилі 980 нм, його потужність варіюється в межах від 0.5 до 7 Вт. Пульт управління дозволяє дуже просто задавати параметри роботи за рахунок наявності передвстановлених стандартних режимів.
Активувати лазер можна як ножною педаллю, так і перемикачем на наконечнику.
Кнопка “старту” безпосередньо на наконечнику і автоматичні показники готовності до лікування (зелений) і “старту” (жовтий) служать для додаткового контролю при лікуванні.
Ергономічна форма наконечника має 3 градуси повороту (30, 40 і 60), що дає значні переваги при лікуванні в ротовій порожнині.
Застосування:
Хірургія: гингивектомія, відкриття імплантата, оперкулектомія, френулектомія, зупинка кровотечі
Парадонтология: періодонтальні поразки, періодонтальна кишеня, періоїмплантіт
Ендодонтія: стерилізація каналу, депульпірованіє каналів
Патології: молочниця, герпес
Технічні характеристики:
Довжина хвилі: 980 нм
Режим роботи: безперервний (CW) /импульсный
Потужність: 0,5-7 Вт
Діапазон частот: 1 Гц - 10 кгц
Маса: 450 г
Розміри: 87 x 54 x 190 мм
Комплектність:
2 лазерних наконечника
вмикач на наконечнику, ножна педаль управління
2 оптичних світловода
6 насадок на наконечник
3 пари захисних очок для врача/ассистента/пациента
ножиці, кейс для перенесення [ 1 ]
1.2 Застосування сучасного діодного лазера
Діодні лазерні стоматологічні системи все ширше застосовуються як в загальній стоматології, так і в її спеціалізованих розділах. Більшість стоматологів вибирають для роботи з м’якими тканинами саме діодні апарати з кількох причин:
діодні лазери нового покоління дуже компакт-диски
ці лазерні апарати порівняно не дорогі і тому швидко окупаються
їх легко застосовувати в клінічних умовах
- рівень безпеки діодних лазерних апаратів дуже високий, таким чином, гігієністи можуть використовувати їх в пародонтології без ризику пошкодити структури зуба
- діодні лазерні апарати надійні за рахунок використання електронних і оптичних компонентів з невеликою кількістю рухомих елементів. Саме ця простота в пристрої робить їх ефективними, компактними і надійними.
До недавнього часу всі діодні лазерні стоматологічні апарати працювали на довжині хвилі в 810 нм або 980 нм. Виробник вибирав довжину хвилі на підставі характеристик поглинання лазерної енергії м’якими тканинами.
До стоматологічних лазерів з довжиною хвилі в 810 нм відносяться DioLase Plus ™ і LaserSmile ™ виробництва BIOLASE , а так само Odyssey ® виробництва Ivoclar .
Лазерний апарат SIROLaser ™ виробництва Sirona Dental Systems працює на довжині хвилі 980 нм. Дослідження в області поглинання лазерної енергії гемоглобіном і оксигемоглобіном показали, що найбільш ефективною для гемостаза, а так само ретракції видалених тканин при роботі з м’якими тканинами є інша довжина хвилі - 940 нм. На цій підставі компанією BIOLASE Technology був представлений на міжнародному ринку лазерний стоматологічний апарат ezlaseTM , - єдиний лазерний стоматологічний апарат з довжиною хвилі 940 нм.
Розширення клінічних можливостей діодних лазерів в стоматології
Діодні лазери дозволяють проводити ряд процедур, які раніше проводилися лікарями з небажанням, із-за рясних кровотеч, необхідності накладення швів і інших наслідків хірургічних процедур. Ще однією перевагою застосування лазера на м’яких тканинах є дуже маленька область некрозу після контурування тканин, таким чином, краї тканин залишаються саме там, де їх розташував доктор. Це вельми значущий аспект з естетичної точки зору. За допомогою лазера ви можете провести контурування усмішки, підготувати зуби і зняти зліпок під час одних відвідин.
У минулому, при використанні скальпеля або електрохірургічних апаратів, між контуруванням тканин і підготовкою повинно було пройти декілька тижнів, щоб розріз зажив, і тканини дали усадку перед остаточним зняттям зліпка. Прогнозування положення краю розрізу - це одна з основних причин, по якій діодні лазери застосовуються в естетичній стоматології для реконтурірованія м’яких тканин перед підготовкою і зняттям зліпків при естетичних реставраціях.
Так само діодні лазерні стоматологічні системи використовуються при проведенні френектомії, яка зазвичай не діагностується, оскільки багато докторів не люблять проводити це лікування відповідно до стандартної техніки. При звичайній френектомії після розрізання вуздечки необхідно накласти шви, що може бути незручне в цій області порожнини рота. Дивно, як багато плюсів для пацієнта несе застосування лазера, коли доктор бачить у пацієнта прикріплення вуздечки, яке заважає мобільності або провокує рецесії, що може бути свідченням до френектомії. До цих плюсів можна віднести відсутність кровотечі, швів і порівняльне комфортне загоєння.
Відсутність необхідності накладення швів робить цю процедуру однією з найбільш швидких і простих в практиці стоматолога. Це однаково вигідно і для доктора, і для пацієнта. Я наполегливо рекомендую, щоб гігієністи ретельно стежили за прикріпленнями вуздечки, які можуть викликати рецесії.
Лазери для гігієни:
Крім всього вищесказаного, однією з найбільш вагомих причин придбання стоматологічного лазера є його можливість застосування у сфері гігієни. Діодний лазер може використовуватися при лікуванні пародонтологічних захворювань, афтозних виразок і герпесу, а так само для десенсибілізації зубів. При настройках низької і безпечної потужності лазер видаляє уражені тканини, не зачіпаючи здорові, і в той же час вбиває бактерії, що провокують захворювання, і проводить біостимуляцію пародонтальної кишені.
Біостимуляція на малих потужностях підвищує циркуляцію, формування колагену і фібробластну і остеобластну активність. Лазер - це перший апарат, завдяки якому процес загоєння починається з самого низу пародонтальної кишені, що є істотною перевагою лазерних апаратів перед традиційними методиками.
У міру того, як розширюється область застосування лазерів в стоматології, я все більше переконуюся в тому, що саме гігієністи прагнуть привнести в роботу клініки нові технології. У ідеалі лікар-стоматолог повинен мати в своєму розпорядженні універсальний лазер для м’яких і твердих тканин для операційної стоматології і процедур по м’яких тканинах, тоді як діодним лазером повинні працювати гігієністи. Більшість практикуючих лікарів відзначають, що гігієністи обов’язково, так або інакше, використовують діодний лазер при роботі зі всіма пацієнтами, починаючи з простих процедур бактерійного відновлення перед профілактикою, закінчуючи складною і тривалою пародонтальною терапією. У своїй роботі гігієніст може так само використовувати діодний лазер для лікування афтозних виразок, герпесу, для десенсибілізації і навіть вибілювання зубів. При всіх тих перевагах, які лазер дає стоматологові, не можна забувати, яку допомогу і прибуток він може принести гігієністові. Це саме той випадок, коли підвищення якості догляду за пацієнтом приносить додатковий дохід.
Так само не можна забувати про те, що при використанні лазера має місце так званий стихійний маркетинг. Пацієнти охоче розповідають своїм колегам, однокласникам, друзям, як їх лікували стоматологічним лазером. Можна з упевненістю сказати, що в свідомості людей лазерні технології є найбільш просунутим напрямом в стоматології. Авторитет лікаря що використовує лазер піднімається в очах пацієнтів на новий рівень, люди бачать перед собою професіонала що йде в ногу з часом, вони упевнені, що тут їх чекає висококваліфікована медична допомога. [ 2 ]
2. Теоретичні основи діодного лазера
2.1 Підсилення і генерація світла в активних середовищах
Розглянемо квантову систему, в якій можливі переходи, що супроводжуються випромінюванням і поглинанням світла (мал. 1). Хай рівень m відповідає основному стану, а рівень n-збудженому.
Рис.1
У такій системі можливі оптичні переходи трьох типів. На рис.1а показаний
перехід, який відбувається при поглинанні кванта світла. Вірогідність такого переходу рівна:
(1)
де ρ(υ ) - щільність енергії електромагнітного поля, Вmn -коефіцієнт, про яке буде сказано далі. Тут і далі мається на увазі монохроматичне випромінювання . hυ = En – Em.. Якщо система знаходиться у збудженому стані, то можливий її спонтанний перехід в основний стан (мал. 1б). При цьому вивільняється енергія у вигляді кванта випромінювання hυ = En – Em..Можливість спонтанного випромінювання не залежить від інтенсивності світлового поля.
(2)
Можливий також індукований перехід із збудженого стану в основний
при взаємодії системи з квантом випромінювання, енергія якого рівна енергії
переходу (Мал. 1с). Перехід такого типа називається індукованим або вимушеним. Індукований перехід супроводжується випромінюванням кванта світла, енергія якого поляризація і фаза повністю співпадають з цими параметрами кванта того, що ініціював перехід. Тобто в результаті такого переходу з'являються два ідентичні кванти випромінювання. Вірогідність індукованого переходу пропорційна щільності енергії що індукує випромінювання.
(3)
Коефіцієнти Anm , Bnm, Bmn називаються коефіцієнтами Енштейна. Значення цих
коефіцієнтів визначається властивостями квантової системи (атома, молекули). Між коефіцієнтами Енштейна існує зв'язок:
(4)
Величина зворотна Anm має розмірність часу і називається спонтанним часом
життя tсп=1/Anm . З урахуванням співвідношень 4 можна записати:
(5)
(6)
Хай плоска монохроматична хвиля з частотою n і інтенсивністю I
розповсюджується в середовищі з об'ємною щільністю атомів N . Nm - щільність атомів в стані m ; Nn - щільність атомів в стані n . Число індукованих переходів в одиниці об'єму в одиницю часу рівне Nn Wnim , число переходів з поглинанням світла – Nn Wnim. Повна потужність випромінювання, що генерується в одиниці об'єму:
(7)
Це випромінювання когерентно підсумовується з випромінюванням I первинної хвилі (з збереженням фази). Враховуючи, що P=dI/dz (хвиля розповсюджується у напрямі z ) і I0=cρ(υ)/n закон зміни інтенсивності при розповсюдженні світла прикмет наступну форму:
(8)
З (8) слідує:
(9)
де
(10)
З виразу (9) виходить, що залежно від знаку γ (υ ) інтенсивність світла росте або
зменшується по експоненціальному закону.
В стані термодинамічної рівноваги заселена енергетичних рівнів
визначається розподілом Фермі-Діраку, з якого виходить:
(11)
Тобто в стані термодинамічної рівноваги заселена основного стану
завжди вище, ніж збудженого і, отже γ (υ ) ‹ 0. Таким чином, при
розповсюдженні в середовищах, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги інтенсивність світла убуває експоненціально. Цей закон відомий в оптиці давно і носить назва закону поглинання Бугера.
Якщо заселення збудженого стану більша, ніж основного, тобто Nn › Nm, у
середовищу відбуватиметься посилення світла. Такий стан називається станом з
інверсним заселенням. Воно не є термодинамічно рівноважним. Згідно (11)
йому повинна відповідати негативна абсолютна температура. Інверсна
заселенысть можна створити на обмежений проміжок часу, порушуючи середовище яким небудь чином, тобто повідомляючи їй енергію. У фізиці лазерів використовують термін "накачування".
Явище посилення світла в середовищах з інверсійною заселеною рівнів покладене в основу роботи лазерів.
Конструкція лазера схематично зображена на Рис.2.
Активне середовище (1), в якому тим або іншим способом (оптичне накачування розряд в газі, електронний пучок і т.п.) створена інверсна заселена рівнів поміщається всередині оптичного резонатора. У простому випадку оптичний резонатор представляє собою два плоскі паралельні дзеркала (2, 3), одне з яких (3) є частково прозорим. Роль резонатора полягає в створенні позитивноого зворотного зв'язку. Фотон, випущений якій-небудь точці робочого тіла в результаті спонтанного переходу викликає індуковані переходи. Таким чином, в робочій речовині виникає когерентна світлова хвиля, яка посилюється у міру свого розповсюдження. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, світло частково пройде через нього. Ця частина світлової енергії випромінюється лазером зовні і може бути використана. Частина світу, що відобразилася від
напівпрозорого дзеркала, дасть початок новій лавині фотонів, яка не відрізнятиметься. від попередньої по фазі, частоті і поляризації через властивості індукованого випромінювання. Таким чином, вся енергія, запасена активним середовищем, висвічується у вигляді когерентної світлової хвилі. Оскільки разом з посиленням світла в робочій речовині існують
процеси, що приводять до втрати світлової потужності, генерація виникає при визначеному пороговому значенні коефіцієнта підсилення, при якому підсилення компенсує втрати.
2.2 Конструкція і робота інжекційних лазерів
Інжекційний лазер являє собою інжекційний p-n перехід, в якому
генерація когерентного випромінювання обумовлена рекомбінацією електронів і дірок в області p-n переходу при протіканні прямого струму. Надлишок енергії при рекомбінації електрона і дірки може виділятися у вигляді кванта випромінювання hυ≈ΔЕ, де ΔЕ – ширина забороненої зони, або передаватися кристалічній решітці, що приводить до підвищення температури кристала. У зв'язку з цим розрізняють випромінювальну і безвипромінювальну
рекомбінацію. Вірогідність того або іншого процесу залежить від будови енергетичних зон напівпровідника. На мал. За і b приведені можливі залежності енергії електронів у напівпровіднику від хвилевого вектора κ.
Рис.3.
Нагадаємо, що значення хвилевого вектора, відповідно до теорії хвиль де-Бройля однозначно визначає імпульс електрона. Верхня гілка відображає залежність енергії електрона від імпульсу в зоні провідності, нижня - у валентній зоні. Інтервал між максимумом енергії валентної зони і мінімумом зони провідності являє собою заборонену зону. При рекомбінації відбувається перехід електрона з нижнього стану зони провідності (крапка А) в найбільш високий стан валентної зони (крапка В). При переході виконуються закони збереження енергії і імпульсу. У першому випадку (мал. За) імпульс електрона в початковому і кінцевому станах практично один і той же. Згідно закону збереження енергії маємо:
(12)
Імпульс фотона нехтує малий в порівнянні з імпульсом електрона. У цьому
взаємодії їм можна нехтувати. Отже, імпульс електрона в початковому і
кінцевому станах один і той же, що відповідає закону збереження імпульсу.
У непрямозонних напівпровідникових матеріалах, структура зон яких
відображена на мал. Зb, рекомбінаційний перехід супроводжується істотним
зміною імпульсу електрона (непрямий перехід). Ця зміна не може бути
компенсується імпульсом, виникаючого фотона. Тому для здійснення таких
переходів необхідна участь третьої частинки. Такою третьою частинкою, яка бере участь у взаємодії, є фонон (квант пружних коливань грат). Закони збереження для цього випадку запишуться у формі:
для енергії
(13)
для імпульсу.
Енергія фонона ·Ω ‹‹ ΔЕ, тому енергія виникаючого кванта світла hυ ≈ ΔЕ .
В той же час , тому надмірний імпульс електрона цілком передається фонону. Оскільки непрямі переходи відбуваються при одночасній участі трьох для імпульсу.
Рис.4
У напівпровіднику p -типа рівень Фермі розташований вищим за стелю валентної зони.
Стани між рівнем Фермі і стелею валентної зони при цьому вільні (Рис.4b).
Напівпровідники такого типа називаються виродженими. Енергетична структура p-n переходу, утвореного виродженими напівпровідниками у відсутність зовнішньої напруги, прикладеної до переходу, приведена на рис.5а. Якщо до p-n переходу прикласти зовнішню напругу в прямому напрямі (плюс до області p ), енергетичний бар'єр у області контакту знизиться. Виникне дифузійний струм електронів з n
Рис.5.
області в p область і дірок у зворотному напрямі (рис.5b). У вузькому контактному шарі завтовшки d виникає область з інверсною заселеною, в якій щільність електронів у дна зони провідності вище, ніж у стелі валентної зони. Якщо в цій області розповсюджується випромінювання з енергією квантів тієї, що задовольняє умові:
ΔE ‹ hυ ‹ (EFn - EFp), то воно може індукувати тільки переходи, направлені вниз від заповнених станів зони провідності на вільні стани у стелі валентної зони. Інтенсивність світла при цьому зростатиме. Для здійснення генерація когерентного випромінювання p-n перехід поміщають в оптичний резонатор. Така конструкція і є напівпровідниковим інжекційним лазером. Звичайно роль
резонаторів в напівпровідникових лазерах виконують плоскопаралельні грані
кристала, перпендикулярні площини p-n переходу. Поверхні цих граней високого
Рис.6.
оптичної якості одержують або поліровкою, або сколюванням по природних кристалографічним площинам. Конструкція типового лазера на арсеніді
галію, довжина хвилі випромінювання якого близька до 0,84 мкм показана на мал. 6. У ньому використаний вироджений напівпровідник n -типа (1) що містить 1018 атомів донорної домішки телура в 1 см3. P - область утворена шляхом дифузії акцепторної домішки цинку з поверхневою концентрацією 102 103 см3 (2). Торцеві поверхні (3), перпендикулярні площини переходу (відполіровані або сколені), служать відбивачами лазерного резонатора.
2.3 Поріг генерації і ККД інжекційних лазерів
Припустимо для простоти, що електромагнітне випромінювання локалізоване активною областю кристалу (у області інверсії). Реально ця умова виконується в інжекційних лазерах з подвійною гетероструктурою. Хай L -довжина кристалу в напрямі розповсюдження світла, w - його ширина, а d -товщина активної області з інверсною заселеністю. Об'єм активної області рівний Lwd . Вираз (10) для коефіцієнта підсилення в цьому випадку прийме вигляд:
(14)
де 2 n і 1 n числа електронів в зоні провідності і у валентній зоні відповідно.
Хай температура низька настільки, що n=0 (ця умова виконується при E››kT . Для GaAs воно виконується при кімнатній температурі). В цьому випадку загальне число електронів, що пройшли через p-n перехід, рівно числу спонтанних рекомбінацій за той же час.
(15)
де J - струм через перехід, ηі - внутрішня квантова ефективність (для інжектованих електронів, рекомбінуючих випромінюючись). Виразимо різницю ( n2 – n1) у формулі (14) через щільність струму i, що протікає через p-n перехід: i=J/Lω .
(16)
Видно, що коефіцієнт підсилення пропорційний щільності струму p-n переходy.
Генерація виникає при деякому пороговому значенні щільності струму iпор, при якому підсилення компенсуватиме втрати. Втрати енергії, при проходженні світлом в кристалі відстані L, рівні e-αLR, де а -коеффициент поглинання матеріалу, R - коефіцієнт віддзеркалення від грані кристала, створюючої резонатором. Відповідно до сказаного вище, умову виникнення генерації можна записати в наступному вигляді:
(17)
тут γпор -пороговое значення коефіцієнта підсилення. З (16) і (17) знаходимо порогове значення щільності струму.
(18)
Для сучасних напівпровідникових лазерів порогова щільність струму складає
величину близько 100 А/см2. Враховуючи, що площа переходу може бути менше 1 мм2, пороговий струм для реальних приладів може складати величину 1 А.
Потужність випромінювання інжекційного лазера визначається наступним
співвідношенням:
(19)
де ( J - Jпор) -різниця струму, протікаючого через перехід і порогового струму. Частина цієї потужності, пропорційної а розсівається усередині лазерного резонатора. Інша частина пропорційна –(1/L)*lnR, випромінюється через кінцеві відбивачі. Таким чином вихідна потужність лазера може бути виражена наступним співвідношенням:
(20)
Хай V - електрична напруга, прикладена до лазерного діода, VJ - електрична
потужність накачування лазера. КПД лазера за визначенням рівний відношенню:
(21)
Звідси:
(22)
Звичайно втрати усередині кристала малі, тобто α‹‹ -1/LlnR . (Зовнішнє поле майже повністю компенсує внутрішній контактний бар'єр). Звідси при високих рівнях збудження (J›Jпор ) маємо: ККД≈ηі . Для напівпровідників, які використовуються для виготовлення лазерів, ηі має величину, близьку до одиниці. Тому ККД інжекційних лазерів може досягати десятків відсотків і є найвищим серед всіх типів лазерів. Низька енергія збудження, малі розміри, можливість використання в поєднанні з напівпровідниковою електронікою і оптичними волокнами – все це робить інжекційний лазер виключно важливим приладом оптоелектроніки.
3. Розрахунок параметрів діодного лазера
Для того щоб розрахувати параметри лазера потрібно знайти показник заломлення активного середовища.
Оскільки напівпровідникові лазери можуть забезпечувати генерацію на багатьох довжинах хвилі, потрібно спроектувати лазер, який буде випромінювати задану потужність на заданій хвилі. Для цього спочатку потрібно вибрати матеріал з якого буде виготовлений лазер. Основною характеристикою матеріалу є його ширина забороненої зони, тому маючи довжину хвилі з формули:
можна визначити, яку ширину забороненої зони повинен мати матеріал, з якого виготовлений активний шар лазера. Звідси можна визначити і показник заломлення.
Оскільки Еg≈2,795, то з табличних даних[ 9 ] знаходимо що наша речовина In1-xAlxP, а це означає що xmax=0,44, і з табличних даних[ 9 ] визначаємо, що наш показник заломлення становить 3,289.
3.1 Розрахунок конструктивних параметрів
До конструктивних параметрів належать:
Товщина активного шару;
Довжина активної області;
Довжина резонатора;
Ефективна площа p-n переходу.
Товщина активної області d приблизно рівна відстані, яку проходить електрон до рекомбінації з діркою. Згідно теорії дифузії, товщина d визначається за формулою:
,
де D – коефіцієнт дифузії (~10 см2/с);
τ – середній час життя неосновних носіїв до рекомбінації(τ=0,8.10-8с)
Довжина активної області l визначається:
В нашому випадку L=l оскільки резонатор лазера виготовлений шляхом сколювання кристалу вздовж його кристалографічних площин(L=59,8.10-6м)
Ефективна площа p-n переходу рівна:
3.2 Розрахунок енергетичних параметрів
Ефективний коефіцієнт відбивання дзеркал резонатора (на одну грань нанесене відбиваюче покриття r1≈0,99; коефіцієнт відбивання другого дзеркала визначається френелівським відбиванням при проходженні світла через межу розділу двох діелектричних середовищ):
Враховуючи умову інверсії населеності і лінійну залежність коефіцієнта підсилення густини струму j, що тече в прямому напрямку через p-n перехід, для порогового значення густини струму отримали наступну залежність:
де β∑ - коефіцієнт дифракційних втрат
G – коефіцієнт підсилення, який залежить від температури, степені легування активної області (B=6.10-7 м2/А), від внутрішнього квантового виходу (η0=0,8), від степені оптичного обмеження (Г=0,91), яка рівна долі потоку випромінювання, що утримується в межах активного шару і від довжини активного шару:
Значення коефіцієнта дифракційних втрат:
Знаючи β∑ та G(υ) можемо визначити jпор:
Вирахувавши порогову густину струму і маючи значення ефективної площі p-n переходу, можна порахувати величину порогового струму накачування:
і пороговий показник підсилення:
При збільшенні густини струму накачування вище порогового значення виникає генерація. Вимушене випромінювання скорочує час життя інжектованих носіїв до величини, яка відповідає інверсії, і яка дорівнює пороговому значенню
де ηвнут – внутрішній квантовий вихід випромінювальної рекомбінації, який визначається як доля інжектованих електронів, рекомбінація яких супроводжується випромінюванням;
І – струм накачування, який протікає через p-n перехід.
Частина цієї потужності локалізується всередині резонатора, а залишок виводиться через резонатор сформований гранями кристалу. Вираз для вихідної потужності тоді можна записати наступним чином:
Як видно вихідна потужність зростає пропорційно струму накачування, який ми знаходимо з цього виразу (І=18,3276*10-3А), а отже і знаходимо Рвипр.:
3.3 Розрахунок спектральних та просторових параметрів
До спектральних і просторових параметрів належать:
Розбіжність променя;
ширина спектральної лінії;
довжина когерентності.
Пучок, що виходить з напівпровідникового лазера має в перерізі форму еліпса. Це пов’язано з тим, що розбіжність пучка в напрямках паралельному і перпендикулярному до p-n переходу не є однакова. В перпендикулярному напрямі розбіжність визначається товщиною шару:
а в паралельному – шириною p-n переходу:
Дані розбіжності задовільняють задану умову, оскільки не переважають 0.4 рад.
Спектр генерації представляє собою розподіл миттєвих значень частоти генерації. Ширина функції, що описує цей розподіл відповідає ширині спектральної лінії можна розрахувати по формулі Шавлова-Таунса, яка модифікована з врахуванням особливостей напівпровідникових лазерів:
Δυ – повна ширина лінії на половині її висоти;
n – показник заломлення середовища;
L – довжина резонатора;
β∑ - внутрішні втрати в резонаторі;
ηсп – фактор спонтанного випромінювання (ηсп≈1-2);
, де Δn’, Δn’’ – зміна відповідно реальної та уявної частини комплексного показника заломлення активної області напівпровідникового лазера при зміні концентрації носіїв.
На основі ширини лінії генерації можна знайти довжину когерентності лазера
4. Конструкція лазера
Висновки
Виконуючи цей курсовий проект я з основним завданням впорався – розрахував та спроектував лазер з заданими параметрами. А також пересвідчився, що діодний інжекційний лазер має широке застосування в даний час і велику перспективу в майбутньому.
Література
1. aldera.ru
2. diamedcom.ru
3. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L. , Ilchenko V.S. Phys.Letts A, 137,
393 (1989).
4. Ilchenko V.S., Gorodetsky M.L. Laser Phys., 2, 1004 (1992).
5. Weiss D.S., Sandoghdar V., Hare J. et al. Optics Letts, 20, 1835
(1995).
6. www.veda.kiev.ua
7. http://www.magicray.ru
8. www.fineprint.com
9. Методичні вказівки до курсового проекту – “Розрахунок та проектування напівпровідникового інжекційного лазера” Львів 2004.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора