2.2 Спектр излучения

Одним из основных параметров излучателя является ширина спектра излучения, т.е. диапазон частот или длин волн, который охватывает излучение данного прибора. Для оценки ширины спектра пользуются понятиями монохроматичности [2].

Изолированная атомная система, будучи возбуждённой, самопроизвольно излучает энергию.

Распределение излучения по частотам описывают часто функцией S(), нормированной следующим образом:

. (1.14)

В случае дисперсионного распределения она имеет вид

. (1.15)

Спектральная плотность мощности P_v() на любой частоте связана с полной мощностью P в пределах данного распределения и с функцией S() выражением

P_v() = P S(),

где

.

Шириной линии является расстояние по шкале частот или длин волн между точками контура линии, в которых мощность равна половине максимальной.

С точки зрения квантовой электродинамики естественная ширина линии связана с неопределённостью в энергии состояния атома. Энергия системы W может быть известна лишь с точностью ∆W, связанной с временем жизни T состояния (уровня) соотношением неопределённости

∆W Т  h/2 . (1.16)

Ширина спектральной линии определяется энергетической шириной начального и конечного уровней перехода. Обычно естественная ширина линии оказывается порядка 10^-5 10^-8 нм.

На опыте часто наблюдаются не естественные контуры спектральных линий, а значительно более широкие линии.

В спектре поглощения полупроводников также возможно "прожигание дырок", если скорость монохроматической накачки превысит (или будет равна) скорости релаксационных процессов. Тогда распределение электронов и дырок в зонах будет значительно отличаться от распределения Ферми-Дирака.

2.3 Модовый состав излучения полупроводниковых лазеров

Если в режиме люминесценции полупроводник излучает практически интегральную по спектру и направлениям мощность, то генераторный режим характеризуется определённой спектральной структурой.

Вопрос о том, какие волны могут существовать в идеальном оптическим резонаторе, был рассмотрен в п.1.1.2. Для того чтобы определить реальный состав мод генерируемого излучения, при решении уравнений Максвелла необходимо учесть нелинейные оптические свойства активной среды и выход излучения за пределы резонатора. В общем случае эта задача весьма сложна и решается приближенно.

В двух идеализированных случаях картина генерации представляется в следующем виде. Предположим, что генерируемое излучение не оказывает обратного действия на активную среду. Коэффициент усиления полностью определяется спектроскопическими свойствами вещества и накачкой. Тогда моды генерируются независимо друг от друга. С ростом накачки процесс генерации распространяется на всё новые и новые моды.

Генерироваться будут все моды, для которых коэффициент потерь меньше или равен коэффициенту усиления.

В другом крайнем случае после возникновения генерации на одной или нескольких модах вся избыточная над порогом энергия возбуждения трансформируется в энергию излучения мод. Генерируемое излучение вызывает интенсивные вынужденные переходы и препятствует увеличению уровня инверсной населённости.

После начала генерации коэффициент усиления остается постоянным при всех интенсивностях возбуждения, превышающих порог, а число генерируемых мод не изменяется.

Опыты показывают, что реальная картина генерации заключена между этими крайними случаями.

Действительно, часто генерация возникает вначале на одной моде. С ростом накачки интенсивность излучения этой моды быстро растёт. До некоторого времени она подавляет генерацию других мод, но не полностью. При дальнейшем увеличении накачки в спектре генерации появляется вторая мода, затем третья и т.д.

Спектры спонтанного и стимулированного испускания инжекционных гомолазеров на основе GaAs при различных значениях тока инжекции приведены на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Спектры люминесценции и генерации

лазерного диода на основе GaAs

Если j < j_пор, то наблюдается только широкая полоса люминесценции. При j  j_пор на фоне этой полосы возникает первый пичок стимулированного испускания. С ростом накачки его интенсивность быстро увеличивается. Высота пичка становится на несколько порядков больше максимума полосы люминесценции. Поэтому на рис. 1.6 масштаб для

j > J_пор по сравнению с масштабом для j < j_пор уменьшен во много раз.

Когда плотность тока превышает порог в 1,1 раза, спектр генерации состоит уже из трёх мод. В дальнейшем генерация становится многомодовой.

Для получения одномодовой генерации применяют дифракционные решётки, которые используют в качестве одного из зеркал резонатора. При этом если постоянная решётки равна b, а нормаль к решётке расположена под углом к оси резонатора, то будет генерироваться мода, длина волны которой удовлетворяет условию  = 2 b sin. Путем изменения угла легко осуществить плавную перестройку частоты генерации.