Кіріспе
Жартылай өткізгіш лазерлердің ақаулық режимі Катастрофалық оптикалық зақымдану (COD) немесе катастрофалық оптикалық айна зақымдану (COMD) - жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің ақаулық режимі. Бұл жартылай өткізгіштің түйіні оның қуат тығыздығынан асып, жарық энергиясының көп бөлігін сіңіріп, лазердің қырларында жартылай өткізгіш материалдарының балқыуына және қайта кристалдануына әкелетін шамадан тыс жүктемеге ұшыраған кезде пайда болады. Бұл жиі "диодты үрлеу" деп аталады. Зақымдалған аймақта көп сандаған тор ақаулары бар, бұл оның жұмыс істеуіне кері әсер етеді. Егер зақымданған жер жеткілікті үлкен болса, оны оптикалық микроскоппен лазерлік жақтың қараңғылауы және/немесе жарықтар мен саңылаулар ретінде байқауға болады. Зыян бір лазерлік импульспен, миллисекундтан аз уақыт ішінде орын алады. ҚОҚ-қа дейінгі уақыт қуат тығыздығына кері пропорционал. Жарымөткесті лазерлердің өнімділігін арттырудағы шектеуші факторлардың бірі - оптикалық зақымдану. Бұл AlGaInP/AlGaAs қызыл лазерлерінің негізгі ақаулық режимі. Қысқа толқын ұзындығы лазерлері ұзын толқын ұзындығы лазерлеріне қарағанда КОҚ-ға бейімделеді. Өнеркәсіптік өнімдерде КҚҚ-ның типтік мәні 12-20 МВт/см2-ден тұрады.
Catastrophic optical damage (COD), or catastrophic optical mirror damage (COMD), is a failure mode of high power semiconductor lasers. It occurs when the semiconductor junction is overloaded by exceeding its power density and absorbs too much of the produced light energy, leading to melting and recrystallization of the semiconductor material at the facets of the laser. This is often colloquially referred to as "blowing the diode". The affected area contains a large number of lattice defects, negatively affecting its performance. If the affected area is sufficiently large, it can be observable under optical microscope as darkening of the laser facet, and/or as presence of cracks and grooves. The damage can occur within a single laser pulse, in less than a millisecond. The time to COD is inversely proportional to the power density. Catastrophic optical damage is one of the limiting factors in increasing performance of semiconductor lasers. It is the primary failure mode for AlGaInP/AlGaAs red lasers. Short wavelength lasers are more susceptible to COD than long wavelength ones. The typical values for COD in industrial products range between 12 and 20 MW/cm2.
Себептері мен механизмдері
Диодты лазердің жарық шығаратын шетінде жартылай өткізгіш пластинкасын жарық түсіретін жазықтықты қалыптастыру үшін жарық шығаратын жерде айна қалыптасады. Бұл тәсілге III V жартылай өткізгіш кристалдарындағы [110] кристаллографиялық жазықтықтың әлсіздігі (мысалы, GaAs, InP, GaSb және т.б.) ықпал етеді. басқа ұшақтармен салыстырғанда. Оффайлдың шетінде жасалған сызау және аздап бүгілу күші оффайл арқылы тура сызықта пайда болып, таралатын атомдық жағынан кемелді айна тәрізді бөліну жазықтығына әкеледі. Бірақ, ондай кезде бөліну жазықтығындағы атомдық күйлер (кристалл ішіндегі олардың жалпы қасиеттерімен салыстырғанда) сол жазықтықтағы толық мерзімді тордың аяқталуымен өзгертіледі. Бөлінген жазықтықтағы беткі күйлер жартылай өткізгіштің (басқаша тыйым салынған) жолақты аралығындағы энергия деңгейлеріне ие. Сондағы сәулелер электронды тесіктер жұптарын пайда етеді. Бұл кристалл бетідегі химиялық байланыстардың бұзылуына, содан кейін тотығуға немесе радиациялық емес рекомбинация арқылы жылудың босатылуына әкелуі мүмкін. Окистенген беттің лазерлік жарық сіңіруінің артуы оның бұзылуын одан әрі жеделдетеді. Окистену әсіресе алюминийі бар жартылай өткізгіш қабаттары үшін қиын. Негізінде, жарық бөліну жазықтығы арқылы таралып, жартылай өткізгіш кристалл ішінен бос кеңістікке өту нәтижесінде жарық энергиясының бір бөлігі фонондық электрондық өзара әрекеттесу арқылы жылуға айналатын жер бетіндегі күйлерге сіңіріледі. Бұл жарылған айнаны жылытады. Сонымен қатар айна қызуы мүмкін, өйткені диодты лазердің жиегі электрмен сорғыланады, ол жылуды жою жолын қамтамасыз ететін монтаждаумен мүлдем жанаспайды. Айнаның қызуы жартылай өткізгіштің жолақты арақашықтығын ыстық жерлерде қысқартады. Жарық аралығының қысқаруы фотон энергиясына сәйкес келетін электронды жапсырмадан-жапсырмаға ауысуды арттырады, бұл одан да көп сіңіруді тудырады. Бұл термиялық қашу, оң кері байланыс түрі, нәтижесінде фасетаның балқыуы болуы мүмкін, бұл апатты оптикалық зақымдану немесе КОЗ деп аталады. Лазерлік қабаттардың ескіру және қоршаған ортаның әсерімен нашарлауы (су, оттегі және т.б. әсерінен эрозия) жарық сіңіруін арттырады және КОҚ шегін төмендетеді. Кейін COD-ге байланысты лазердің кенеттен апатты істен шығуы қызметте мыңдаған сағаттан кейін пайда болуы мүмкін.
Жағдайдың жақсаруы
AlGaInP лазерлік құрылымдардағы КОҚ шегін арттыру әдістерінің бірі күкіртпен өңдеу, ол лазерлік жақтағы оксидтерді халкогенидті шынылармен алмастырады. Бұл жер бетіндегі күйлердің рекомбинациялық жылдамдығын төмендетеді. Беттік күйлердің рекомбинациялық жылдамдығын қысқарту кристалдарды ультра жоғары вакуумда бөлшектеу және бірден қолайлы пассивтеу қабатын жинақтау арқылы да қол жеткізілуі мүмкін. Оттегі алу үшін алюминийдің жұқа қабатын бетінде қоюға болады. Тағы бір тәсіл - бетті допингтеу, лента аралығын ұлғайту және лазерлік толқын ұзындығының сіңірілуін азайту, сіңіру максимумын бірнеше нанометрге жоғарылату. Айна аймағының маңында токтың жиналуы заряд тасымалдаушыларды айна аймағына жақын жерге енгізуді болдырмау арқылы болдырмауға болады. Бұл электродтарды айнадан алыстатып, кем дегенде бірнеше тасымалдаушы диффузиялық қашықтыққа орналастыра отырып жүзеге асырылады. Жер бетіндегі энергия тығыздығын оптикалық қуысты кеңейтетін толқын жетектерін қолдану арқылы азайтуға болады, сондықтан энергияның бірдей мөлшері үлкен аумақтан шығады. Энергия тығыздығы 15-20 МВт/см2 - бұл жолақтың ені микрометріне 100 мВт-қа сәйкес келеді. Үлкен лазерлік жолақ жоғары шығыс қуаты үшін, көлденең режимдегі тербелістердің құны үшін және осылайша спектрлік және кеңістіктік сәуле сапасының нашарлауы үшін пайдаланылуы мүмкін. 1970 жылдары бұл проблема, әсіресе 1 мкм мен 0,630 мкм толқын ұзындығы аралығында шығатын GaAs негізделген лазерлер үшін (1.3 мкм мен 2 мкм аралығында шығатын ұзақ қашықтыққа телекоммуникация үшін қолданылатын InP негізделген лазерлер үшін) ерекше маңызды. Майкл Эттенберг, зерттеуші, кейіннен Нью-Джерси штатының Принстон қаласындағы RCA лабораториясының Дэвид Сарнофф ғылыми-зерттеу орталығының вице-президенті, бұл мәселенің шешімін тапты. Алюминий оксидінің жұқа қабаты қабырғаға орналасты. Егер алюминий оксидінің қалыңдығы дұрыс таңдалса, ол антирефлексиялық қаптама ретінде жұмыс істейді, ол беттегі рефлекцияны азайтады. Бұл қыздыруды және өлтіру себептерін азайтады. Содан бері тағы басқа да түрлі түзетулер енгізілді. Бір тәсіл - бұл сусынды емес айнаны (NAM) жасау, яғни жарық бөлінген жағынан шығатын соңғы 10 мкм немесе одан да көп уақыт қызығушылық тудыратын толқын ұзындығында сусынды емес болып табылады. Мұндай лазерлер терезе лазерлері деп аталады. 1990 жылдардың басында SDL, Inc. сенімділігі жақсы жоғары қуатты диодты лазерлерді жеткізуді бастады. Бас директор Дональд Сцифрес пен CTO Дэвид Уэлч жаңа сенімділік көрсеткіштерін ұсынды, мысалы, SPIE Photonics West конференцияларында. SDL-дің КОҚ-ты жою үшін қолданған әдістері жоғары патенттік болып саналды және 2006 жылдың маусым айына дейін әлі де жария етілмеген. 1990 жылдардың ортасында IBM Research (Рушликон, Швейцария) GaAs негізделген лазерлерде COD-ға ерекше төзімділік беретін "E2 процесі" деп аталатын әдісті ойлап тапқанын мәлімдеді. Бұл процесс туралы да 2006 жылдың маусым айына дейін ешкімге хабарланбаған.