Введение к работе
Актуальность темы. Расширение области практических применений полупроводниковых лазеров предъявляет высокие требования к их мощностным, пространственным и спектральным характеристикам, включая освоение новых спектральных диапазонов. В большинстве приложений излучение лазерных диодов (ЛД) необходимо фокусировать в пятно микронных размеров (датчики, оптические диски) или формировать параллельный пучок большой протяженности (открытая оптическая связь, целеуказатели), или трансформировать в пространственную моду с заданными параметрами (ввод в одномодовое волокно и интерферометры). Во всех подобных случаях важно учитывать особенности пространственных характеристик волновых фронтов (ВФ) лазерных диодов и в первую очередь эллиптичность и астигматизм. Это существенно и при создании высококогерентных инжекционных лазеров с селективным внешним резонатором, где важно обеспечить одночастотный характер генерации с высокой выходной мощностью. Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию лазерных диодов с внешним резонатором (ЛДВР), рассогласование между кривизнами волновых фронтов поля в активной области лазера и поля возвращаемого от внешнего отражателя редко принимается во внимание. Между тем, оно может заметно воздействовать на уровень обратной связи (ОС) и на устойчивость режима одночастотной генерации.
Создание полупроводниковых лазеров, излучающих в сине-зеленой части видимого спектра, остается на сегодняшний день актуальной задачей. В настоящий момент выходная мощность подобных лазеров ограничена несколькими милливаттами, а время жизни — десятками часов. Эти факторы затрудняют практическое использование таких излучателей и стимулируют развитие альтернативных подходов. Возможным способом получения излучения в области 400нм является генерация второй гармоники от надежных высококогерентных лазеров на основе AlGaAs в накопительном интерферометре с нелинейным кристаллом. При этом, для получения высокого коэффициента преоб-
разования, необходимо обеспечить согласование импедансов и реализовать точное пространственное преобразование входного пучка в собственную моду накопительного резонатора.
Указанные вопросы неполно отражены в литературе и требуется их дальнейшее изучение.
Целью работы являлось:
-
Определение на основе анализа литературы наиболее удобных для практики параметров, описывающих пространственные характеристики волновых фронтов лазерных диодов. Разработка методики и создание установки для измерения этих параметров. Систематическое исследование параметров волновых фронтов инжекционных лазеров и возможности определения механизма формирования волновода.
-
Исследование влияния степени согласования кривизны волновых фронтов поля внутри активной области и поля, обеспечивающего оптическую обратную связь, на характеристики лазерного диода с внешним резонатором. Изучение возможности получения большей мощности в одночастотном режиме генерации ЛДВР за счет улучшения согласования кривизны волновых фронтов.
-
Разработка методики преобразования эллиптичного астигматичного Гауссова пучка в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами.
-
Разработка способа определения оптимального коэффициента пропускания входного зеркала для согласования импедансов интерферометра. Это позволит, в частности, реализовать эффективный ввод излучения лазерного диода в накопительный интерферометр при генерации второй гармоники.
Научная новизна.
Предложенная модификация установки для измерения астигматизма лазерных диодов имеет следующие отличительные особенности: 1) независимая регистрация перетяжек, обеспечиваемая цилиндрической линзой, расширяет
диапазон измерений астигматического расстояния до нуля без ухудшения точности; 2) регистрация осевого распределения интенсивности вместо поперечного позволяет легко автоматизировать измерения и определять дополнительно к астигматизму размер перетяжки в плоскости перехода, К-фактор Пи-термана и М2-фактор качества пучка; 3) прецизионная подвижка лазера, вместо перемещения регистрирующей системы минимизирует влияние эллиптичности пучка на результаты.
Впервые экспериментально и теоретически показано, что знак и величина астигматического расстояния изолированного лазера позволяют определить тип и длину внешнего резонатора, в котором обеспечивается оптимальное согласование. Предложен новый метод прямого численного моделирования воздействия кривизны волнового фронта поля оптической обратной связи на пороговые характеристики ЛДВР. Экспериментально обнаружено, что короткий внешний резонатор с согласующей цилиндрической линзой повышает устойчивость режима одночастотной генерации в лазерах без бокового ограничения. Обобщена методика согласования круглых Гауссовских пучков на случай преобразования эллиптичного пучка с астигматизмом в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами и получено экспериментальное подтверждение эффективности этого подхода.
Предложен оригинальный способ определения оптимального коэффициента пропускания входного зеркала накопительного интерферометра.
Практическая ценность работы.
Представленная в работе модификация установки измерения астигматизма использовалась для оптимизации структур лазерных диодов при проведении совместных работ с НИИ «Полюс» (г.Москва) и НИИ «Север» (г.Новосибирск). Схема короткого внешнего резонатора, в котором воспроизводимо обеспечивается режим устойчивой одночастотной генерации при больших уровнях накачки, перспективна для приложений в спектроскопии и интерферометрии. Метод преобразования эллиптичного пучка в круглый мо-
жет быть использован для эффективного ввода излучения лазерного диода в одномодовое волокно, неконфокальные интерферометры, сферические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галлереи, для формирования качественных волновых фронтов необходимых в спектроскопии высокого разрешения и метрологии частоты и времени.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Установлено, что в методе измерения астигматического расстояния по форме осевого распределения интенсивности в области фокусировки пучка влияние эллиптичности на результаты минимально, если в пространстве изображений на фиксированном расстоянии от фокусирующего объектива регистрируется ширина пучка как функция положения лазерного диода. Методика последовательной регистрации минимальных размеров пучка в главных поперечных направлениях, осуществляемая при помощи поворотной цилиндрической линзы, позволяет расширить диапазон измерений вплоть до нуля, при точности определения астигматического расстояния на уровне ±2мкм. По форме осевого распределения интенсивности в области фокусировки пучка можно контролировать корректность измеренной величины астигматизма, определять К-фактор Питермана, М2-фактор качества и размер перетяжки в плоскости р-п перехода лазера.
2)Тип бокового волновода лазерного диода нельзя однозначно определить по величине астигматического расстояния, необходимо дополнительно измерить К-фактора Питермана.
3) Экспериментально и с помощью численного моделирования выявлено, что существует оптимальная кривизна волнового фронта поля оптической обратной связи в плоскости р-n перехода лазера, при которой реализуется минимальный порог генерации и наибольшая токовая устойчивость одномодового спектра. Экспериментально установлено, что знак и величина астигматического расстояния изолированного полоскового лазерного диода позволяют опре-
делить тип и длину внешнего резонатора, который обеспечивает указанную оптимальную кривизну волнового фронта поля ОС.
4) Теоретически и экспериментально показано, что методика 2-х линзового согласования круглых Гауссовских пучков может быть обобщена на случай преобразования эллиптичного пучка с астигматизмом в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Самарского филиала Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, на республиканской конференции по физике полупроводниковых лазеров (Вильнюс, 1989г.), на XII Всесоюзном семинаре по диодно-лазерной спектроскопии (Минск, 1991г.), на конференции Оптика Лазеров (С.-Петербург, 1993г.). Диссертационная работа в 1993-1995гг. поддерживалась Российским Фондом Фундаментальных исследований (№93-02-15038, №95-02-05882).
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 6 научных работ и получено 2 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В конце работы приведен список цитируемых работ из 126 наименований. Общий объем диссертации, включая иллюстрации и таблицы, составил 1 машинописных страницы.
