Характеристики источников излучения

Характеристики источников излучения. для ВОГ. При конструировании волоконных оптических гироскопов, как правило, в качестве излучателей используют полупроводниковые лазеры лазерные диоды ЛД , светодиоды СД и суперлюминесцентные диоды СЛД . В ряде экспериментальных установок ВОГ, однако, применяют также гелий-неоновые оптические квантовые генераторы.

Их использование объясняется, по-видимому, традиционным мнением о том, что в оптике при измерении фазовых соотношений предпочтительны высококогерентные источники излучений.

При использовании гелий-неоновых ОКГ его излучение можно декогерировать частотной модуляцией, что уменьшит влияние обратного когерентного рэлеевского рассеяния, вносящего ошибку при измерении угловой скорости вращения. Более того, для компенсации эффекта Керра, также вносящего ошибку, можно применять широкополосные источники, приближающиеся по своим спектральным свойствам к тепловым источникам. Кроме того, специфика конструкции ВОГ предъявляет дополнительные требования к источникам излучения.

К ним относят соответствие длины волны излучения номинальной длине волны световода, где потери минимальны обеспечение достаточно высокой эффективности ввода излучения в световод возможность работы источника излучения в непрерывном режиме без охлаждения достаточно высокий уровень выходной мощности излучателя долговечность, воспроизводимость характеристик, жесткость конструкции, а также минимальные габариты, масса, потребляемая мощность и стоимость.

Наиболее полно этим условиям отвечают полупроводниковые излучатели - ЛД, СД и СЛД. Рассмотрим некоторые характеристики излучателей. Возможность использования полупроводниковых инжекционных лазеров в качестве источника излучения в ВОГ привлекает исследователей и конструкторов прежде всего их малыми габаритами и массой, высоким КПД, прямой токовой накачкой, твердотельной конструкцией и низкой стоимостью. Кроме того, вводя различные примеси, можно перекрывать требуемый диапазон длин волн. В настоящее время создано большое количество типов полупроводниковых инжекционных лазеров или лазерных диодов ЛД на различных материалах.

Принцип генерации излучения ЛД имеет ряд существенных отличий от принципа генерации лазеров других типов, что прежде всего связано с особенностями их энергетической структуры. Рассмотрим в общих чертах технические параметры ЛД, что позволит нам оценить возможность использования тех или иных структур в волоконно-оптических гироскопах с учётом требований налагаемых на них. В беспримесном полупроводнике различают следующие энергетические зоны валентную, запрещенную и зону проводимости.

В реальном полупроводнике нужно учитывать наличие примесей. Примеси являются причиной возникновения дополнительных энергетических уровней. Донорные примеси создают уровни вблизи зоны проводимости, а сами частицы примеси, ионизируясь, добавляют в возбужденную зону зону проводимости избыточные электроны. Акцепторные примеси имеют уровни вблизи валентной зоны. Эти примеси захватывают электроны из валентной зоны, образуя в ней избыточное количество дырок.

Число электронов в зоне проводимости существенно превышает число дырок в валентной зоне это характерно для полупроводника n-типа, для полупроводника р-типа наоборот. При соединении полупроводников разных типов проводимости на границе их раздела образуется р-n-переход. Характер распределения электронов по возможным энергетическим состояниям в полупроводнике зависит от концентрации легирующей примеси и температуры.

Для того чтобы создать в полупроводнике условия генерации индуцированного излучения, нужно нарушить равновесное распределение по энергетическим уровням, т. е. перераспределить их так, чтобы на более высоких уровнях оказалось больше электронов, чем на нижних. В полупроводниковых материалах возможны различные переходы, электронов, такие как зона-зона, зона-примесь, и переходы между уровнями примеси. Переход электрона на более высокие энергетические уровни сопровождается поглощением энергии извне.

При переходе на более низкие уровни энергия выделяется. При этом выделяющаяся энергия излучается в виде электромагнитных колебаний, либо расходуется на нагрев кристаллической решетки. Для перехода зона-зона инверсия населенности энергетических уровней имеет место, если число электронов в зоне проводимости больше, чем в валентной зоне. Инверсию населенности в полупроводниковых материалах можно реализовать лишь путем создания неравновесной концентрации электронов и дырок.

Основным способом создания инверсной населенности в полупроводниках является способ инжекции через р - п- переход неравновесных носителей тока. Такая инжекция реализуется подачей электрического смещения на р-п-переход в положительном направлении. Тогда потенциал на границе раздела полупроводников снижается и через переход начинает протекать ток основных носителей дырок из р-области и электронов из n-области. Зона с инверсной населенностью возникает вблизи р - n-перехода.

При переходах электронов из зоны проводимости в валентную зону возникает индуцированное излучение, т. е. процесс индуцированного перехода сопровождается излучательной рекомбинацией электронов и дырок в р - n -переходе. При излучательной рекомбинации выделяется избыточная энергия в виде светового кванта. Эффект лазерной генерации света в полупроводниковых структурах возможен лишь при наличии положительной обратной связи по световому излучению при этом усиление должно компенсировать оптические потери.

Положительную обратную связь осуществляет оптический резонатор Фабри - Перо, образованный отражающими плоскопараллельными гранями кристалла, перпендикулярными плоскости р - n -перехода. Отражающие поверхности создаются путем полировки двух противоположных граней кристалла или путем скалывания по кристаллографическим плоскостям. Коэффициент отражения этих поверхностей составляет приблизительно 0,3. Однако даже при небольшой длине активного вещества десятые доли миллиметра такой коэффициент отражения достаточен для лазерной генерации благодаря большому коэффициенту усиления активной среды.

В настоящее время эффект вынужденной генерации получен на многих полупроводниковых материалах почти перекрыт диапазон генерации от 0,33 до 31 мкм. Одна из ранних конструкций инжекционного полупроводникового лазера была создана на материале GaAs. В лазерном диоде нижняя пластина состоит из GaAs с примесью теллура и имеет проводимость n-типа. Верхняя пластина состоит из GaAs с примесью цинка и имеет проводимость р-типа. Каждая пластина имеет контакт для соединения с источником питания.

Геометрические размеры р - n -перехода составляют сотые доли миллиметра, толщина области, в которой создается излучение, 0,15 0,2 мкм. Торцевые отполированные грани образуют резонатор. Излучатель такого типа работает в импульсном.