В табл. 8.2 представлены параметры малогабаритных лазеров, а в табл. 8.3 – основные технические параметры наиболее распространенных лазеров.
Таблица 8.2
Параметры малогабаритных лазеров
Тип |
Размер, см |
КПД |
Фе, мВт |
, мкм |
|
, град |
, В |
Газовый |
10 |
0,1 |
0,1 – 10 |
0,63 |
10-6 – 10-9 |
0,03 – 0,15 |
103 – 104 |
Твердотельный |
1 |
1 – 2 |
10 – 104 |
1,06 |
10-4 |
1 |
До 103 |
Полупро-водниковый |
0,1 |
10 – 20 |
10 – 100 |
0,8 – 0,9 |
2·10-3 |
10 |
1,5 – 3 |
Важно подчеркнуть, что диапазон длин волн, который могут теперь перекрыть лазеры, весьма широк (приблизительно 0,1 – 103 мкм, т.е. четыре порядка между границами спектрального диапазона). Помимо длины волны имеются и другие параметры лазеров, которые могут изменяться в широких пределах. Действительно, выходная мощность лазеров может изменяться от милливаттного уровня в маломощных непрерывных лазерах до 100 кВт (а возможно, и до значительно более высокого уровня, но информация о таких лазерах зас
екречена) в мощных непрерывных лазерах и до 100 ТВт в импульсных лазерах. Аналогично можно получать длительности лазерных импульсов также в широких пределах: от миллисекунд (в импульсных твердотельных лазерах) до пикосекунд (в лазерах с синхронизацией мод).
Габариты различных типов лазеров изменяются также в необычно широких пределах – от нескольких микрон до нескольких десятков метров (один из самых длинных лазеров, который использовался в геодезии, имел длину 6,5 км!). Огромное разнообразие типов лазеров и их выходных параметров представляет собой, возможно, одну из наиболее удивительных особенностей лазерной отрасли. Это означает также, что существование столь многих типов лазеров приводит к большому разнообразию их возможных применений.
Анализ табличных данных приводит к выводу, что универсальным источником когерентного излучения для микрооптоэлектроники может быть лишь инжекционный полупроводниковый лазер.
Сравнивая полупроводниковые лазеры с лазерами других типов, можно выделить следующие достоинства полупроводниковых лазеров:
1) малые массо-габаритные показатели и большое оптическое усиление ( см -1);
2) высокий КПД (почти 100 %);
3) простота накачки лазера: инжекция не требует высоких питающих напряжений и мощностей;
4) высокое быстродействие;
5) возможность генерации излучения заданной длины волны в широком диапазоне, что достигается выбором полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны;
6) технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.
Таблица 8.3
Основные технические параметры наиболее распространенных лазеров
Тип лазера |
Активная среда |
Длина волны, мкм |
Режим работы |
Мощность излучения |
Частота повторения импульсов, Гц |
Длительность импульса |
Расходимость излучения |
КПД, % |
ГЛ |
He – Ne |
0,63 |
Непрерывный |
0,5 – 50 мВт |
— |
— |
0,7 – 3,5 мрад |
0,01 – 0,1 |
CO2 – N2 |
10,6 |
Непрерывный |
1 – 1,5·104 Вт |
— |
— |
До 25 мрад |
До 20 |
|
10,6 |
Импульсный |
10 – 5·103 Вт (средняя) |
До 2,5·104 |
0,006 – 100 мкс |
До 7 мрад |
До 6 |
||
Ar |
0,33 – 0,53 |
Непрерывный |
0,01 – 20 Вт |
— |
— |
0,5 – 1,5 мрад |
0,01 – 0,1 |
|
DF (химический) |
3,5 – 4 |
Непрерывный |
1 – 1·104 Вт |
— |
— |
1,8 – 15 мрад |
— |
|
KrF (эксимерный) |
0,249 |
Импульсный |
20 – 250 Вт (средняя) |
До 103 |
4·10-3 – 1 мкс |
0,1 – 6 мрад |
0,03 – 2 |
|
ЖЛ |
Органические красители |
0,25 – 1,01 |
0,1 – 3 Вт (средняя) |
108 |
<1 пс |
1,4 – 1,5 мрад |
30 – 60 |
|
ТЛ |
Алюмоиттриевый гранат с неодимом |
1,06 |
Непрерывный |
0,05 – 103 Вт |
— |
— |
2 – 24 мрад |
1 – 3 |
1,06 |
Импульсный свободной генерации |
20 – 600 Вт (средняя) |
1 – 300 |
0,1 – 10 мс |
3 – 24 мрад |
1 – 2 |
||
1,06 |
Импульсный с модулированной добротностью |
2 – 100 МВт (пиковая) |
0,1 – 100 |
2 – 25 нс |
0,3 – 3 мрад |
0,4 – 1 |
||
1,06 |
Режим синхронизации мод |
0,02 – 2 ГВт (пиковая) |
10 |
30 – 150 пс |
0,3 – 0,7 мрад |
0,01< |
||
Рубин |
0,6943 |
Импульсный свободной генерации |
1 – 38 Вт (средняя) |
0,016 – 5 |
0,3 – 3 мс |
3 – 18 мрад |
0,1 – 1 |
|
Рубин |
0,6943 |
Импульсный с модулированной добротностью |
0,02 – 1 ГВт (пиковая) |
0,017 – 1 |
12 – 30 нс |
0,3 – 1 мрад |
До 0,1 |
|
ПЛ |
CaAs |
0,8 – 0,9 |
Непрерывный (одиночные лазеры) |
5 – 40 мВт |
— |
— |
20 – 40 град |
1 – 30 |
GaAlAs |
0,8 – 0,9 |
Непрерывный (интегральные решётки) |
100 – 500 мВт |
— |
— |
20 – 40 град |
10 – 20 |
|
0,8 – 0,9 |
Импульсный (одиночные лазеры) |
103 |
102 нс |
20 – 40 град |
10 – 20 |
|||
GaInAs GaAlInAs |
1,3 – 1,5 |
Непрерывный |
1 – 5 мВт |
— |
— |
20 – 40 град |
10 – 20 |
|
PbS, PbSe, PbTe |
4 – 15 |
Непрерывный с глубоким охлаждением |
0,1 мВт |
— |
— |
1 град |
~5 |
Современным полупроводниковым лазерам присущи такие недостатки:
1) относительно низкие параметры когерентности излучения ( и ), что объясняется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора и малой выходной апертурой;
2) низкая долговечность, равная для промышленных образцов 103 – 104 ч; в то же время теоретические расчеты показывают, что долговечность инжекционных лазеров может быть выше 105 ч.
Снижение долговечности реальных приборов прежде всего связывается с постепенной деградацией (старением) полупроводникового лазера. Деградация стимулиру
ется очень высокими плотностями тока, а также потоков оптической и тепловой мощности, которые характерны для работы полупроводниковых лазеров.
Основным деградационным эффектом является увеличение концентрации безызлучательных центров в активной области за счет внедрения атомов неконтролируемых примесей и образования новых дефектов. Кроме того, наблюдается снижение активности излучательных центров и возрастание поверхностной рекомбинации.
К числу важнейших технологических средств снижения деградации и соответственно увеличения долговечности полупроводниковых лазеров относятся:
1) выбор структурно однородного материала (как по электрическим, так и по теплофизическим параметрам);
2) совершенствование конструкции кристалла;
3) улучшение монтажа кристалла и теплоотвода.
В областях применения, требующих больших импульсных мощностей излучения в сочетании с высокой направленностью (локация, подсветка целей, дальняя волоконно-оптическая связь и т.п.), наибольшие перспективы имеют твердотельные лазеры.
Газовые лазеры неизменно остаются вне конкуренции во всех тех устройствах и системах, где определяющей является высокая степень когерентности излучения.