Emissiegolflengte
Deuitstootde golflengte van een laser hangt af van de energie die vrijkomt wanneer een elektron overgaat van de geleidingsband naar de valentieband, wat ongeveer gelijk is aan de bandafstand E (eV).
hf=Eg--(3.4)
Omdat c=f, waarbij f en λ respectievelijk de frequentie en golflengte van het uitgezonden licht zijn, levert c=3 × 10⁻³ m/s, h=6.628 × 10⁻³ J·s en 1 eV=1.60 × 10⁻¹ J, vervanging in vergelijking (3-4) het volgende op:
Omdat de bandafstand verband houdt met de samenstelling en inhoud van halfgeleidermaterialen, kunnen op basis van dit principe lasers met verschillende emissiegolflengten worden gemaakt.
Drempelkenmerken (P-I-kenmerken)
Bij lasers neemt het optische uitgangsvermogen scherp toe wanneer de toegepaste voorwaartse stroom een bepaalde waarde bereikt, wat resulteert in laseroscillatie. Deze stroom wordt de drempelstroom genoemd, aangegeven met ε. De uitgangskarakteristiek van een typische halfgeleiderlaser wordt weergegeven in figuur 3-6. Voor een stabiele en betrouwbare werking geldt: hoe lager de drempelstroom, hoe beter.
Figuur 3-6 Uitgangskarakteristieken van een typische laser
Spectrale kenmerken
De spectrale kenmerken van een laser worden voornamelijk bepaald door de longitudinale modi. Typische spectrale curven voor lasers met meerdere-modi en single-modi worden weergegeven in figuren 3-7a en 3-7b. Hier, λ0vertegenwoordigt de golflengte die overeenkomt met de piek van de longitudinale modus met maximaal stralingsvermogen, de piekgolflengte genoemd, doorgaans 850 nm, 1310 nm en 1550 nm; ΔλAis de spectrale breedte van de laser, gedefinieerd als de golflengtebreedte die overeenkomt met de longitudinale modusomhulling die afneemt tot de helft van de maximale waarde, ook bekend als de volledige breedte bij halve maximale (FWHM) spectrale breedte. De spectrale breedte van een laser met enkele-modus wordt ook wel de lijnbreedte genoemd. De spectrale omhullende van een laser met meerdere-modi bevat doorgaans 3-5 longitudinale modi, met een Δλ-waarde van ongeveer 3-5 mm; een goede single-mode laser heeft een Δλ-waarde van ongeveer 0,1 nm, of zelfs kleiner. Δλ is het golflengte-interval tussen twee punten op de spectraallijn waar het spectrale stralingsvermogen van een longitudinale modus de helft van de maximale waarde is.
Figuur 3-7 Spectrale kenmerken van de laser
Voor een laser met enkele-longitudinale-modus wordt de zij-modusonderdrukkingsverhouding (MSR) gedefinieerd als de verhouding van het hoofdmodusvermogen P0naar de secundaire kant-modus power P0, en het is een maatstaf voor de harmonische zuiverheid van de laser.
MSR=10lg(3-6) Het emissiespectrum van de laser verandert afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden. Wanneer de injectiestroom onder de drempelstroom ligt, zendt de laser fluorescentie uit met een breed spectrum; wanneer de stroom toeneemt tot de drempelstroom, wordt het spectrum plotseling smaller, neemt de intensiteit toe en treedt lasering op; wanneer de injectiestroom verder toeneemt, neemt de versterking van de hoofdmodus toe, terwijl de versterking van de zij-modi afneemt, het aantal oscillatiemodi afneemt, en uiteindelijk verschijnt er een enkele-laser in de longitudinale modus. De relatie tussen het uitgangsspectrum van de laser en de injectiestroom wordt weergegeven in figuur 3-8.
Figuur 3-8 Relatie tussen laseruitvoerspectrum en injectiestroom
Spectrale breedte kan ook worden weergegeven door frequentie. Op basis van de relatie tussen frequentie en golflengte kunnen we het volgende verkrijgen:
Foto-elektrische efficiëntie
Foto-elektrische efficiëntie is de verhouding tussen elektrisch vermogen en optisch vermogen. Het kan op verschillende manieren worden uitgedrukt:
(1) Interne kwantumefficiëntie Lasers zenden licht uit door de recombinatie van elektronen en gaten die in de actieve laag worden geïnjecteerd, maar niet alle geïnjecteerde elektronen en gaten kunnen stralingsrecombinatie ondergaan. De interne kwantumefficiëntie vertegenwoordigt de verhouding tussen het aantal fotonen dat in de actieve laag wordt gegenereerd en het aantal geïnjecteerde elektronen-gatenparen, dat wil zeggen het aantal fotonen dat per tijdseenheid wordt gegenereerd - het aantal geïnjecteerde elektronen-gatenparen per tijdseenheid.
(2) Externe kwantumefficiëntie De interne kwantumefficiëntie van lasers kan zeer hoog worden gemaakt, sommige benaderen zelfs de 100%, maar het werkelijke aantal fotonen dat door een laser wordt uitgezonden is veel lager dan het aantal fotonen dat in de actieve laag wordt gegenereerd. Dit komt deels doordat fotonen die in het emitterende gebied worden gegenereerd, worden geabsorbeerd door andere materialen, en deels omdat het golfgeleidereffect van de PN-overgang het aantal fotonen dat uit het grensvlak kan ontsnappen aanzienlijk vermindert. Daarom wordt de externe kwantumefficiëntie, dat wil zeggen de totale efficiëntie, gedefinieerd als: (3-8) het aantal geëmitteerde fotonen r - het aantal geïnjecteerde elektronen-gatparen per tijdseenheid. (3-9)
Temperatuur kenmerken
De kenmerken van de drempelstroom en het optische uitgangsvermogen van een laser als functie van de temperatuur staan bekend als temperatuurkarakteristieken. De curve die de drempelstroom van de laser versus de temperatuur weergeeft, wordt weergegeven in Figuur 3-9. Zoals uit de figuur blijkt, neemt de drempelstroom toe met toenemende temperatuur.
Om de temperatuurgevoeligheid van de laser aan te pakken, kan temperatuurcompensatie in het aandrijfcircuit worden geïmplementeerd, of kan een koeler worden gebruikt om de temperatuurstabiliteit van het apparaat te behouden. Meestal wordt de laser samen met een thermistor, een halfgeleiderkoeler, enz. verpakt om een component te vormen.
De thermistor wordt gebruikt om de temperatuur van het apparaat te detecteren en de koeler te regelen, waardoor automatische temperatuurregeling met gesloten-lus en negatieve feedback wordt bereikt.
Gedistribueerde feedbacklaser
Gedistribueerde feedbacklasers (DFB-LD's) zijn een type laser dat dynamisch bestuurde single-mode-lasers kan genereren, ook bekend als dynamische single-mode-lasers, wat betekent dat het halfgeleiderlasers zijn die nog steeds in een enkele modus kunnen werken onder hoge--snelheidsmodulatie. Ze worden geconstrueerd door een gegolfd periodiek rooster nabij de actieve laag, dat voor optische versterking zorgt, te etsen in een heterojunctielaser. Figuur 3-10 toont een schematisch diagram van een laserstructuur met gedistribueerde feedback.
Figuur 3-10 Schematisch diagram van gedistribueerde anti-laserstructuur
