Экспериментальное наблюдение когерентных оптических осцилляций в сильных полях пикосекундных полупроводниковых лазеров

Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал


П. П. Васильев, Квантовая электроника, 1994, том 21, номер 6, 585–587


Использование Общероссийского математического портала Math-Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользовательским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement


Параметры загрузки: IP: 188.113.219.63
2 апреля 2022 г., 16:12:15

«Квантовая электроника», 21, № 6 (1994) 585
PACS 42.55.Pх; 42.60.Da
Экспериментальное наблюдение когерентных оптических осцилляций
в сильных полях пикосекундных полупроводниковых лазеров^*
П.П.Васильев
Впервые наблюдались когерентные СВЧ (1.1 ТГц) осцилляции поля излучения полупроводникового лазера. Оптический спектр имел дублетную структуру с расстоянием между пиками 2.6 нм. Установлено, что частота осцилляций зависит от условий накачки и не равна обратному времени обхода резонатора лазера. По оценке плотность мощности излучения лазера составила ~10⁹ Вт/см².

=
Хорошо известно [1], что для наблюдения когерент- ных оптических переходных явлений (самоиндуцирован- ная прозрачность, фотонное эхо и т. п.) длительность оптического импульса т должна быть меньше времени поперечной релаксации среды Т₂. Для полупроводнико- вых лазеров при комнатной температуре типичны Т₂ < 100 фс. Данное время релаксации определяется электрон- электронными, электрон-фононными и другими соуда- рениями, каждое из которых характеризуется собствен- ным временем корреляции т_с. Однако в сильном элект- ромагнитном поле, когда частота переходов Раби Q

=
µЕ/-h (µ - дипольный матричный элемент; Е - ампли-
туда оптического поля) становится сравнимой с характе- ристической частотой т^-_с ¹, релаксация может быть подав- лена [2 - 4]. (Предположение о независимости Т₂ от интенсивности оптического поля может оказаться не-
справедливым для твердого тела при низких температу- рах, что было экспериментально показано в [5] .)
Физической причиной этого явления служит участие фотонов электромагнитного поля в каждом элементар- ном акте соударения частиц, определяющем релаксацию. Если число фотонов достаточно велико, то взаимодей- ствие в полупроводнике каждой электрон-дырочной па- ры с оптическим полем становится более существенным, чем ее взаимодействие с соседними электронами и дыр- ками. При этом Т₂ начинает зависеть от амплитуды оп- тического поля Е: Т₂ будет тем больше, чем больше Е [6, 7].
Если условие т < Т₂ не выполняется для слабого оп-
тического поля, оно может выполняться в сильных по- лях. Кроме того, хорошо известно, что интенсивное коге- рентное резонансное излучение воздействует на динами- ческое и спектральное поведение двухуровневых систем и может привести к возникновению множества новых эф- фектов, таких как нутационные осцилляции флуоресцен- ции, динамическое штарковское расщепление резонанс- ного перехода, расщепление Отлера -Таунса и т. д. [8].


Результаты первых экспериментальных наблюдений когерентного взаимодействия мощных пикосекундных импульсов с активной средой лазерного диода были опубликованы несколько лет назад [6, 9]. В настоящей работе мы экспериментально наблюдали динамическое спектральное расщепление и когерентные осцилляции в полупроводниковом лазере, которые возникают из-за наличия сильного оптического поля мощных пикосекун- дных импульсов, генерируемых самим лазером.
В наших измерениях использовались трехсекционные AIGaAs/GaAs-лазеры с плоским резонатором и пассив- ной модуляцией добротности, описанные в [10]. Лазеры такой конструкции представляются наиболее перспек- тивными среди лазеров, используемых для исследования явлений в сильных полях, поскольку они генерируют наиболее мощные УКИ света с плотностью мощности внутри резонатора лазера свыше 10⁸ Вт/см².
Общая длина каждого исследованного лазера соста- вляла 100 мкм. Усилительные секции лазера были дли- ной по 30 мкм, а расположенная в середине резонатора секция, выполняющая функции насыщающегося погло- тителя, имела длину 10 мкм. Усилительные секции были электрически запараллелены. Измеренное время обхода лазерного резонатора составило 3.1 пс. Расстояние меж- ду продольными модами лазера в непрерывном режиме генерации равнялось 0.83 нм.
Для получения мощных пикосекундных импульсов был применен модифицированный метод модуляции добротности, использующий сильное обратное напря- жение смещения насыщающегося поглотителя [10]. Че- рез концевые усилительные секции пропускались прямо- угольные импульсы тока с длительностью 5 - 15 нс, ам- плитудой 200 - 450 мА и частотой повторения 1 - 10 МГц. К поглощающей секции прикладывалось напряжение обратного смещения до - 7 В.
Длительность оптических импульсов измерялась ав- токорреляционным методом, использующим коллине-

арную генерацию второй гармоники (синхронизм типа

^*Перевел с англ. В.А.Семенов.


Школа физики, Университет г. Бат, Великобритания Поступила в редакцию 13 января 1994 г.
1) в кристалле Li1O₃ длиной 2 мм. Характеристики им- пульсов также контролировались фотодетектором с по- лосой пропускания 18 ГГц и стробоскопическим осцил- лографом. Спектральные измерения проводились с по-

мощью управляемого компьютером монохроматора с

586 «Квантовая электроника», 21, № 6 (1994)

I (отн.ед.)
3


2


1


0


I (отн.ед.)





6


4


2
0


I (отн.ед.)





2
1
0

^{-30 -15 0 15 t}r ^{(пс) - 6 -3 0 3 t}r ^(пс
Рис.1. Зависимость усредненных (а) и интерферометрических (б) сиг- налов автокорреляции мощных пикосекундных импульсов от време- ни задержки.
858 861 864 , (нм)
Рис.2. Оптический спектр, соответствующий последовательности пикосекундных импульсов, автокорреляционные сигналы которой показаны на рис.1.

разрешением менее 0.07 нм.
На рис.1 показаны типичные автокорреляционные сигналы ГВГ для последовательности мощных пикосе- кундных импульсов с модуляцией добротности. Ампли- туда импульсов тока, подаваемых на усилительные сек- ции, составляла 400 мА, а напряжение обратного смеще- ния на поглощающей секции было равно - 7.0 В. Кон- траст автокорреляционного сигнала ГВГ с усреднением по интерференционным полосам (рис.1,а) равнялся при- мерно 3. Соответствующая дительность импульса по полувысоте составляла 3.1 - 3.4 пс (в зависимости от конкретной формы импульса) и несколько превышала время полного обхода резонатора. По измеренной сред- ней мощности излучения были вычислены энергия и пиковая мощность в импульсе, оказавшиеся равными соответственно 41 пДж и 13 Вт. В предположении, что размеры картины поля в ближней зоне равны 5 и 0.3 мкм (такие размеры характерны для лазеров данного типа), была рассчитана плотность мощности в резонаторе ла- зера, которая оказалась выше 10⁹ Вт/см².
СВЧ осцилляции оптического поля наблюдались с помощью интерферометрического автокорреляционно- го метода (рис.1,б). Частота когерентных осцилляций со- ставила 1.0 - 1.1 ТГц. Для указанной выше плотности мощности частота Раби была равна ~10¹³ рад/с. Время затухания контраста интерференционных полос равня- лось примерно 1 пс, а когерентные осцилляции и интер-
ли, что импульсы света с модуляцией добротности име- ли асимметричную экспоненциальную форму с задним фронтом, гораздо более длинным, чем передний. Анализ сигналов ГВГ с учетом наблюдений на фотоэлектронном регистраторе позволяет заключить, что получаемые им- пульсы с модуляцией добротности скорее всего имеют форму, показанную на рис.3.
Две последовательности импульсов, показанные на рис.3,а и б, соответствуют двум различным постоянным обратным смещениям U_Ь, приложенным к поглощаю- щей секции лазера. Обе картинки были получены с по- мощью компьютерного моделирования эксперимен- тальных автокорреляционных сигналов ГВГ. Огибаю- щая импульсов является результатом отражений внутри лазерного резонатора отдельных импульсов, состоящих





5 I (отн.ед.) 4
3


2


1


0

ференционные полосы наблюдались при времени задер- жки между импульсами в интерферометре более 6 пс.
Типичный спектр излучения последовательности оп- тических импульсов, показанный на рис.2, содержит две компоненты с расстоянием 2.6 нм между ними. Наблю- даемый нами в эксперименте оптический спектр весьма схож с типичным дублетом Отлера -Таунса [8]. Однако каждая компонента имеет структуру в виде двух пиков, отстоящих друг от друга приблизительно на 0.2 нм. Рас- стояние 2.6 нм между двумя спектральными компонен- тами соответствует периоду осцилляций 0.97 пс для цен- тральной длины волны 863 нм. Это значение очень хо- рошо согласуется с 0.9 - 1.0 пс, измеренными с помощью интерферометрического автокорреляционного метода.
6 I (отн.ед.) 5
4


3


2


1
0 5 10