Bước sóng phát xạ
cáckhí thảiBước sóng của tia laser phụ thuộc vào năng lượng được giải phóng khi một electron chuyển từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, năng lượng này xấp xỉ bằng độ rộng vùng cấm E (eV).
hf=Eg--(3.4)
Vì c=f, trong đó f và λ lần lượt là tần số và bước sóng của ánh sáng phát ra, c=3 × 10⁻³ m/s, h=6.628 × 10⁻³ J·s và 1 eV=1.60 × 10⁻¹ J, thay thế vào phương trình (3-4) sẽ thu được:
Vì khe cấm có liên quan đến thành phần và hàm lượng của vật liệu bán dẫn nên laser có bước sóng phát xạ khác nhau có thể được chế tạo dựa trên nguyên tắc này.
Đặc điểm ngưỡng (đặc điểm P{0}}I)
Đối với laser, khi dòng điện tiến tới đạt đến một giá trị nhất định, công suất quang đầu ra tăng mạnh, dẫn đến dao động của laser. Dòng điện này được gọi là dòng ngưỡng, ký hiệu là ε. Đường cong đặc tính đầu ra của laser bán dẫn điển hình được thể hiện trong Hình 3-6. Để hoạt động ổn định và đáng tin cậy, dòng ngưỡng càng thấp thì càng tốt.
Hình 3-6 Đường cong đặc tính đầu ra của một tia laser điển hình
Đặc điểm quang phổ
Các đặc tính quang phổ của laser chủ yếu được xác định bởi các chế độ dọc của nó. Các đường cong quang phổ điển hình của laser đa{1}}chế độ và đơn{2}}chế độ được thể hiện trong Hình 3-7a và 3-7b. Ở đây, λ0đại diện cho bước sóng tương ứng với đỉnh của chế độ dọc có công suất bức xạ cực đại, gọi là bước sóng cực đại, thường là 850 nm, 1310 nm và 1550 nm; ΔλAlà độ rộng phổ của tia laser, được định nghĩa là độ rộng bước sóng tương ứng với đường bao chế độ dọc giảm xuống một nửa giá trị cực đại của nó, còn được gọi là độ rộng toàn phần ở độ rộng phổ tối đa một nửa (FWHM). Độ rộng phổ của laser đơn chế độ-còn được gọi là độ rộng đường truyền. Đường bao quang phổ của laser nhiều-chế độ thường chứa 3-5 chế độ dọc, với giá trị Δλ khoảng 3-5 mm; một laser đơn mode tốt có giá trị Δλ xấp xỉ 0,1 nm, hoặc thậm chí nhỏ hơn. Δλ là khoảng bước sóng giữa hai điểm trên vạch quang phổ trong đó công suất bức xạ quang phổ của chế độ dọc bằng một nửa giá trị cực đại của nó.
Hình 3-7 Đặc tính quang phổ của laser
Đối với laser chế độ-theo chiều dọc{1}}, tỷ lệ triệt tiêu chế độ bên (MSR) được xác định là tỷ lệ của công suất chế độ chính P0sang nguồn điện chế độ-phía thứ cấp P0và nó là thước đo độ tinh khiết hài hòa của tia laser.
MSR=10lg(3-6) Phổ phát xạ của tia laser thay đổi theo điều kiện hoạt động. Khi dòng phun vào dưới dòng ngưỡng, tia laser sẽ phát ra huỳnh quang có phổ rộng; khi dòng điện tăng đến dòng ngưỡng, quang phổ thu hẹp đột ngột, cường độ tăng và xảy ra hiện tượng phát quang; khi dòng phun tăng thêm, mức tăng của chế độ chính tăng lên, trong khi mức tăng của các chế độ bên-giảm, số lượng chế độ dao động giảm và cuối cùng, một-laser chế độ dọc xuất hiện. Mối quan hệ giữa phổ đầu ra của laser và dòng phun được thể hiện trong Hình 3-8.
Hình 3-8 Mối quan hệ giữa phổ đầu ra laser và dòng phun
Độ rộng phổ cũng có thể được biểu thị bằng tần số. Dựa vào mối liên hệ giữa tần số và bước sóng, ta có:
Hiệu suất quang điện
Hiệu suất quang điện là tỷ số giữa công suất điện và công suất quang. Nó có thể được thể hiện theo nhiều cách:
(1) Hiệu suất lượng tử bên trong Laser phát ra ánh sáng thông qua sự tái hợp của các electron và lỗ trống được đưa vào lớp hoạt động, nhưng không phải tất cả các electron và lỗ trống được đưa vào đều có thể trải qua quá trình tái hợp bức xạ. Hiệu suất lượng tử bên trong biểu thị tỷ lệ giữa số lượng photon được tạo ra trong lớp hoạt động với số cặp lỗ trống-electron được bơm vào, tức là số lượng photon được tạo ra trên một đơn vị thời gian - số cặp lỗ trống-electron được bơm vào trên một đơn vị thời gian.
(2) Hiệu suất lượng tử bên ngoài Hiệu suất lượng tử bên trong của laser có thể đạt được rất cao, một số thậm chí đạt tới 100%, nhưng số lượng photon thực tế phát ra từ laser thấp hơn nhiều so với số lượng photon được tạo ra trong lớp hoạt động. Điều này một phần là do các photon sinh ra trong vùng phát xạ bị hấp thụ bởi các vật liệu khác, và một phần là do hiệu ứng ống dẫn sóng của điểm nối PN làm giảm đáng kể số lượng photon có thể thoát ra khỏi bề mặt tiếp xúc. Do đó, hiệu suất lượng tử bên ngoài, tức là hiệu suất tổng, được định nghĩa là: (3-8) số lượng photon phát ra r - số cặp lỗ electron được bơm vào trong một đơn vị thời gian. (3-9)
Đặc điểm nhiệt độ
Các đặc tính của dòng điện ngưỡng và công suất quang đầu ra của laser là hàm của nhiệt độ được gọi là đặc tính nhiệt độ. Đường cong thể hiện dòng điện ngưỡng của laser so với nhiệt độ được thể hiện trong Hình 3-9. Như có thể thấy trên hình, dòng điện ngưỡng tăng khi nhiệt độ tăng.
Để giải quyết độ nhạy nhiệt độ của tia laser, có thể thực hiện bù nhiệt độ trong mạch truyền động hoặc có thể sử dụng bộ làm mát để duy trì độ ổn định nhiệt độ của thiết bị. Thông thường, tia laser được đóng gói cùng với nhiệt điện trở, bộ làm mát bán dẫn, v.v. để tạo thành một bộ phận.
Điện trở nhiệt được dùng để phát hiện nhiệt độ của thiết bị và điều khiển bộ làm mát, đạt được khả năng điều khiển nhiệt độ tự động phản hồi âm vòng lặp khép kín.
Laser phản hồi phân tán
Laser phản hồi phân tán (DFB-LD) là loại laser có khả năng tạo ra laser-chế độ đơn được điều khiển động, còn được gọi là laser-chế độ đơn động, nghĩa là chúng là laser bán dẫn vẫn có thể hoạt động ở một chế độ duy nhất trong điều chế tốc độ-cao. Chúng được chế tạo bằng cách khắc một cách tử tuần hoàn dạng sóng gần lớp hoạt động, lớp này cung cấp khả năng khuếch đại quang học, trong tia laser dị thể. Sơ đồ nguyên lý của cấu trúc laser phản hồi phân tán được thể hiện trong Hình 3-10.
Hình 3-10 Sơ đồ cấu trúc chống laze phân tán
