Кут розходження лазерного променя.
Зазвичай підкреслюється гостра спрямованість лазерного променя. При цьому не береться
з уваги, що малий кут розходження не є невід'ємною властивістю генерованого випромінювання. При багатомодовою генерації тілесний кут, в якому поширюється випромінювання, може бути досить великим. Лазери з чотиристороннім резонатором генерують практично у всіх напрямках. Малим кутом розходження характеризується, як правило, тільки одномодовий режим генерації або ж сукупність аксіальних мод. На жаль, таке цінне властивість відсутня у інжекційних лазерів навіть при одномодової генерації. Це пов'язано з малими розмірами активного шару.
Нижньою межею кута розходження служить дифракційну кут, який обумовлений хвильової природою світла і не залежить від джерела випромінювання. Наприклад, при дифракції плоскої хвилі на круглому отворі діаметром (дифракція Фраунгофера) перше кільце, відповідне мінімуму випромінювання і обмежує центральний промінь, задовольняє умові [156]
де кут, під яким видно з отвору радіус першого кільця. Для малих значень кут розходження центрального променя (на половині його інтенсивності) наближено дорівнює (1 рад град) радий град. (22.18)
Для гелій-неонового газового лазера з і внутрішнім діаметром трубки з (22.18) знаходимо Приблизно таким же малим дифракційним кутом розходження характеризується рубіновийлазер. Однак якщо у газових лазерів, активне середовище яких має високий ступінь оптичної однорідності, реальний кут розходження променя наближається до дифракційному кутку розбіжність, то у рубінового ОКГ расходимость генерованого випромінювання значно більше У твердотільних і рідинних оптичних квантових генераторів ширина лазерного променя визначається не дифракцией світла, а оптичними неоднорідностями активного середовища, головним чином виникли в процесі накачування і генерації (термічні лінзи і т. п.).
У інжекційних лазерів спостерігається зворотна ситуація: основна причина великої розбіжність генерованого випромінювання це його дифракція при виході з активного шару. Для довжини хвилі випромінювання лазерного діода на основі
Мал. 119. Розподіл випромінювання інжекційного GaAs лазера в площині -переходу при одномодової (а) і багатомодовою генерації (б) [655] GaAs і мкм
з (22.17) слід відповідно. Неоднорідності активного шару призводять до додаткового розширення променя, проте в цілому вони грають другорядну роль в порівнянні з дифракцією світла.
Ширина активного шару лазерного діода звичайно становить десятки або сотні мікрон, тому кут дифракції випромінювання в площині -переходу на один-два порядки менше, ніж у площині В, перпендикулярній до Для визначеності будемо що площину -переходу розташована горизонтально а площину В - вертикально. Досліди показують [655], що в високоякісних лазерних діодів, які працюють в одномодовом режимі, розбіжність променя в площині -переходу порядку (рис. 119, а). При багатомодовою генерації, природно, промінь стає широким і в цій площині. У вертикальній площині кут розходження становить 10 ° і більше (рис. 120, а). У деяких діодах індікатріса випромінювання в -плоскості відхилена від площини -переходу в сторону-типу (рис. 120, б). Це пов'язано з асиметрією хвилеводу, який утворюється в лазерному діоді: пасивна область -типу характеризується меншим коефіцієнтом поглинання генерованого випромінювання, ніж -область.
Теоретичні та експериментальні дослідження картини ближнього і далекого поля випромінювання гетеролазери показують, що з достатнім ступенем точності активний шар можна моделювати плоским металевим хвилеводом, заповненим діелектриком, а кутовий розподіл випромінювання у вертикальній площині, як і у гомолазеров,
визначається дифракцією хвилеводної хвилі на відкритому кінці хвилеводу [656]. Оскільки при необхідності зменшити граничний струм в гетеролазери доводиться робити малої товщину активного шару, то це неминуче призводить до великому куту розбіжність лазерного променя [657-659]. Деякі деталі цієї проблеми розглянуті в роботі [660].
Інжекційні лазери за своїми розмірами близькі до точкових джерел випромінювання. Тому за допомогою оптичних систем можна різко зменшити кут розходження лазерного променя або сфокусувати його на малу площадку.
Мал. 120. (див. Скан) Симетрична (а) і асиметрична (б) індикатриси випромінювання інжекційного GaAs лазера в площині, перпендикулярній площині -переходу