15.1 Методы измерения сверхкоротких импульсов.

Для измерения сверхкоротких оптических импульсов применяются в первую очередь полупроводниковые лавинные фотодиоды. Лавинный режим позволяет измерять импульсы с длительностью порядка 100 пс.

Для измерения мощных сверхкоротких импульсов применяется фотосопротивление давно известное и широко применяемое.

Рис. 212. Схематичное изображение полупроводникового фотосопротивления.

При облучении полупроводникового слоя мощным импульсом света рождается некоторое количество носителей заряда. В случае если к контактам фотосопротивления приложено напряжение, носители заряда устремляются под действием электрического поля к противоположно заряженным электродам. Резкость измеряемого импульсного фронта ограничена временем диффузии носителей заряда от одного контакта до другого.

Рис. 213. Схема оптического коррелеметра для измерения коррелецеонной функции сверх коротких импульсов.

В случае использования такого прибора длительность импульса может быть практически любой. Измеряемый импульс делится на два равных по интенсивности и направляется к плоским зеркалам. Одно зеркало находится на прецизионной подвижке. Отразившись от зеркал оптические импульсы регистрируются фотоприемником. Максимальный сигнал с фотоприемника регистрируется в момент совпадения прихода на фотоприемник оптических импульсов. Изменяя плечо интерферометра перемещая одно зеркало можно увеличить время пролета фотонов в одном из плеч. Таким образом, можно просканировать один импульс другим и получить корреляционную функцию, из которой по перемещению зеркала определить длительность импульса.

15.2. Модуляция добротности полупроводникового лазера (активная и пассивная).

В лазере (любом не только полупроводниковом) можно исключить обратную связь. Одно из условий достижения лазерного эффекта. В этом случае в активном элементе происходит гигантское накопление инверсной заселенности (неравновесных носителей заряда для полупроводника) поскольку нет условий для достижения вынужденного излучения. Инжектированные носители заряда имеют большое время жизни, и поэтому происходит быстрый рост концентрации в активной области. При включении обратной связи или увеличении добротности резонатора Фабри-Перо выполняются условия достижения лазерного эффекта, и наблюдается излучение импульса гигантской мощности. Для достижения этого эффекта в резонатор Фабри-Перо вместе с активной средой помешается модулятор (ячейка Керра) или одно из зеркал изготавливается вращающимся. Это явление называется активной модуляцией добротности. Пока зеркало совершает полный оборот, происходит накопление носителей заряда с превышением требуемой пороговой концентрации. Лазер испускает мощные импульсы с частотой вращения зеркала или включения модулятора.

Рис. 214. Взаимное расположение поляризатора, ячейки Керра и активной среды в резонаторе при модуляции добротности.

Рис. 215. Резонатор Фабри - Перо с вращающимся зеркалом для модуляции добротности.

В полупроводниковом лазере тоже достигается активная модуляция добротности. Для этого необходимо открыть резонатор полупроводникового лазера, просветлив переднее зеркало, поставить микро объектив коллимирующий оптический пучок и поставить глухое зеркало. В резонатор поставить модулятор (электрооптический, например) и активная модуляция добротности достигнута. Наличие микро подвижек делает такие конструкции не долговечными.

Рис. 216. Экспериментальная установка для открытия резонатора полупроводникового лазера. Полупроводниковый лазер указан стрелкой от него вправо микрообъектив.

В полупроводниковых лазерах широко распространена пассивная модуляция добротности. Миниатюрная долговечная конструкция позволяет получать мощные, сверхкороткие оптические импульсы с очень высокой частотой повторения.

Рис. 217. Внешний вид полупроводникового лазера с пассивной модуляцией добротности.

На вторую лазерную секцию подается обратное напряжение, секция работает как фотоприемник и начинается активное поглощение излучения. Добротность резонатора выключена и начинается накопление инжектированных носителей заряда. С увеличением тока накачки пассивная, поглощающая область насыщается и происходит испускание оптического импульса. Далее процесс повторяется. При этом лазер накачивается постоянным током.

Рис.218. Схематическое изображение полупроводникового лазера с пассивной модуляцией добротности. Поглотитель может быть сформирован различными способами имплантацией тяжелых ионов, легированием поглощающими примесями и подачей обратного смещения.

Часто в качестве поглотителя используется полупроводник после имплантации протонов или тяжелых ионов. Проникновение тяжелых высокоэнергетичных ионов ведет к образованию большого количества дефектов – энергетических уровней в зонной структуре и как следствие к сильному поглощению, и высоким внутренним оптическим потерям. Необходимо отметить, что возникающие внутренние оптические потери являются насыщающимися.

Рис.219. Временная зависимость усиления, потерь и оптической мощности излучаемой полупроводниковым лазером с насыщающимся поглотителем при непрерывной накачке постоянным током.

Усиление набирает необходимую величину для просветления секции поглотителя и происходит компенсация всех потерь. В этот момент наблюдается импульс оптического излучения. Частота повторения импульсов связана с величиной тока накачки и свойствами поглощающей секции.

Рис. 220. Экспериментально измеренная форма и длительность излучаемого оптического импульса полупроводникового лазера с насыщающимся поглотителем при модуляции добротности.

Рис. 221. Приведены автокорреляционные функции при различных токах накачки и величине обратного смещения на поглощающей секции полупроводникового лазера. Увеличение напряжения на секции поглотителя уменьшат длительность импульса при этом частота повторения не зависит от тока накачки и величины обратного смещения.