Comprimento de onda de emissão
Oemissãoo comprimento de onda de um laser depende da energia liberada quando um elétron faz a transição da banda de condução para a banda de valência, que é aproximadamente igual ao band gap E (eV).
alta frequência=Eg--(3.4)
Como c=f, onde f e λ são a frequência e o comprimento de onda da luz emitida, respectivamente, c=3 × 10⁻³ m/s, h=6.628 × 10⁻³ J·s e 1 eV=1.60 × 10⁻¹ J, substituindo na equação (3-4) resulta:
Como o bandgap está relacionado à composição e ao conteúdo dos materiais semicondutores, lasers com diferentes comprimentos de onda de emissão podem ser fabricados com base neste princípio.
Características de limite (características P-I)
Para lasers, quando a corrente direta aplicada atinge um determinado valor, a potência óptica de saída aumenta acentuadamente, resultando em oscilação do laser. Esta corrente é chamada de corrente limite, denotada por ε. A curva característica de saída de um laser semicondutor típico é mostrada na Figura 3-6. Para uma operação estável e confiável, quanto menor a corrente limite, melhor.
Figura 3-6 Curvas características de saída de um laser típico
Características espectrais
As características espectrais de um laser são determinadas principalmente pelos seus modos longitudinais. Curvas espectrais típicas para lasers multi-modo e monomodo- são mostradas nas Figuras 3-7a e 3-7b. Aqui, λ0representa o comprimento de onda correspondente ao pico do modo longitudinal com potência radiante máxima, denominado comprimento de onda de pico, normalmente 850 nm, 1310 nm e 1550 nm; ΔλAé a largura espectral do laser, definida como a largura do comprimento de onda correspondente ao envelope do modo longitudinal diminuindo para metade do seu valor máximo, também conhecida como largura total na metade da largura espectral máxima (FWHM). A largura espectral de um laser-de modo único também é chamada de largura de linha. O envelope espectral de um laser multi-modo geralmente contém 3-5 modos longitudinais, com um valor Δλ de aproximadamente 3-5 mm; um bom laser monomodo tem um valor Δλ de aproximadamente 0,1 nm, ou até menor. Δλ é o intervalo de comprimento de onda entre dois pontos na linha espectral onde a potência radiante espectral de um modo longitudinal é metade do seu valor máximo.
Figura 3-7 Características espectrais do laser
Para um laser de modo-longitudinal-único, a taxa de supressão do modo-lateral (MSR) é definida como a proporção da potência do modo principal P0para o lado secundário-modo potência P0, e é uma medida da pureza harmônica do laser.
MSR=10lg(3-6) O espectro de emissão do laser muda com as condições de operação. Quando a corrente de injeção está abaixo da corrente limite, o laser emite fluorescência de amplo espectro; quando a corrente aumenta até a corrente limite, o espectro se estreita repentinamente, a intensidade aumenta e ocorre o laser; quando a corrente de injeção aumenta ainda mais, o ganho do modo principal aumenta, enquanto o ganho dos modos laterais-diminui, o número de modos de oscilação diminui e, finalmente, um único-laser de modo longitudinal aparece. A relação entre o espectro de saída do laser e a corrente de injeção é mostrada na Figura 3-8.
Figura 3-8 Relação entre o espectro de saída do laser e a corrente de injeção
A largura espectral também pode ser representada pela frequência. Com base na relação entre frequência e comprimento de onda, podemos obter:
Eficiência fotoelétrica
A eficiência fotoelétrica é a relação entre a potência elétrica e a potência óptica. Pode ser expresso de várias maneiras:
(1) Eficiência quântica interna Os lasers emitem luz através da recombinação de elétrons e buracos injetados na camada ativa, mas nem todos os elétrons e buracos injetados podem sofrer recombinação radiativa. A eficiência quântica interna representa a razão entre o número de fótons gerados na camada ativa e o número de pares de buracos de elétrons injetados, ou seja, o número de fótons gerados por unidade de tempo - o número de pares de buracos de elétrons injetados por unidade de tempo.
(2) Eficiência quântica externa A eficiência quântica interna dos lasers pode ser muito alta, alguns até chegando a 100%, mas o número real de fótons emitidos por um laser é muito menor do que o número de fótons gerados na camada ativa. Isto ocorre em parte porque os fótons gerados na região emissora são absorvidos por outros materiais e em parte porque o efeito de guia de ondas da junção PN reduz bastante o número de fótons que podem escapar da interface. Portanto, a eficiência quântica externa, ou seja, a eficiência total, é definida como: (3-8) o número de fótons emitidos r - o número de pares elétron-buraco injetados por unidade de tempo. (3-9)
Características de temperatura
As características da corrente limite de um laser e da potência óptica de saída em função da temperatura são conhecidas como características de temperatura. A curva que mostra a corrente limite do laser versus temperatura é mostrada na Figura 3-9. Como pode ser visto na figura, a corrente limite aumenta com o aumento da temperatura.
Para lidar com a sensibilidade à temperatura do laser, a compensação de temperatura pode ser implementada no circuito de acionamento ou um refrigerador pode ser usado para manter a estabilidade da temperatura do dispositivo. Normalmente, o laser é embalado junto com um termistor, um resfriador de semicondutor, etc., para formar um componente.
O termistor é usado para detectar a temperatura do dispositivo e controlar o refrigerador, obtendo controle automático de temperatura com feedback negativo de circuito-fechado.
Laser de feedback distribuído
Lasers de feedback distribuído (DFB-LDs) são um tipo de laser capaz de gerar lasers de-modo único controlados dinamicamente, também conhecidos como lasers-de modo único dinâmicos, o que significa que são lasers semicondutores que ainda podem operar em um modo único sob modulação de alta-velocidade. Eles são construídos gravando uma grade periódica ondulada próxima à camada ativa, que fornece amplificação óptica, em um laser de heterojunção. Um diagrama esquemático de uma estrutura de laser de feedback distribuído é mostrado na Figura 3-10.
Figura 3-10 Diagrama esquemático da estrutura anti-laser distribuída
