danos óptico catastrófico - Catastrophic optical damage
Danos catastróficos óptico ( COD ), ou catastrófica danos espelho óptico ( comd ), é um modo de falha de energia de alta lasers semicondutores . Ocorre quando a junção de semicondutor está sobrecarregado, excedendo a sua densidade de energia e absorve muita da energia da luz produzida, levando a fusão e recristalização do material semicondutor nas facetas do laser. Isso é muitas vezes coloquialmente conhecido como "sopro do diodo." A área afetada contém um grande número de defeitos de rede , afetando negativamente o seu desempenho. Se a área afectada é suficientemente grande, pode ser observada sob microscópio óptico como o escurecimento da faceta de laser, e / ou como a presença de fendas e ranhuras. Os danos podem ocorrer dentro de um único pulso de laser, em menos de um milissegundo. O tempo de COD é inversamente proporcional à densidade de potência.
Danos catastróficos óptico é um dos factores limitantes no aumento do desempenho de lasers semicondutores. É o modo de falha primária para AlGaInP / AlGaAs lasers vermelhos.
lasers de comprimento de onda curto são mais susceptíveis a DQO do que as de longo comprimento de onda.
Os valores típicos para COD em produtos industriais variam entre 12 e 20 MW / cm 2 .
Causas e mecanismos
Na borda de um diodo de laser, onde a luz é emitida, um espelho é tradicionalmente formado por clivagem da bolacha de material semicondutor para formar um especularmente reflectora plano. Esta abordagem é facilitada pela fraqueza da [ 110 ] plano cristalográfico em cristais semicondutores III-V (tal como GaAs , InP , GaSb , etc) em comparação com outros aviões. Um zero feita na borda da pastilha e uma ligeira força de dobragem faz com que um plano de clivagem tipo espelho quase perfeito atomicamente para formar e propagar numa linha recta através da bolacha.
Mas, acontece que os estados atómicos no plano de clivagem são alterados (em comparação com as suas propriedades de volume dentro do cristal) pela terminação da rede perfeitamente periódica naquele plano. Estados de superfície no plano clivado têm níveis de energia dentro de (de outro modo proibido) lacuna da banda do semicondutor.
A luz absorvida provoca a geração de pares de electrão-lacuna. Estes podem conduzir à quebra de ligações químicas na superfície do cristal, seguido por oxidação , ou à libertação de calor por recombinação não radiativa . A superfície oxidada, em seguida, mostra aumento da absorção da luz do laser, o que acelera ainda mais a sua degradação. A oxidação é especialmente problemática para camadas semicondutoras que contêm alumínio.
Essencialmente, como um resultado, quando a luz se propaga através do plano de clivagem e transita para o espaço livre a partir de dentro do cristal semicondutor, uma fracção da energia de luz é absorvida pelos estados de superfície, onde ele é convertido em calor por fonão - electrões interacções. Isso aquece o espelho clivada. Além disso, o espelho pode aquecer simplesmente porque a borda do diodo laser, que é electricamente bombeado -is em menos do que perfeito contacto com a montagem que fornece um caminho para a remoção de calor. O aquecimento do espelho faz com que a lacuna da banda do semicondutor para encolher nas áreas mais quentes. O encolhimento band gap traz mais transições electrónicas banda-a-banda em alinhamento com a energia dos fotões que causa ainda mais a absorção. Esta é a instabilidade térmica , uma forma de feedback positivo , e o resultado pode ser fusão da faceta, conhecido como danos catastróficos óptico , ou COD.
Deterioração das facetas de laser com o envelhecimento e efeitos do ambiente (erosão por água, oxigénio, etc.) aumenta a absorção de luz pela superfície, e diminui o limiar de CQO. Uma falha catastrófica súbita do laser devido ao COD, em seguida, pode ocorrer depois de muitos milhares de horas em serviço.
melhorias
Um dos métodos para aumentar o limiar de CQO em AlGaInP estruturas de laser é o enxofre tratamento, que substitui os óxidos na faceta do laser com vidros calcogenetos . Isto diminui a velocidade de recombinação dos estados de superfície.
Redução de velocidade de recombinação de estados de superfície pode também ser conseguida por clivagem dos cristais em ultra vácuo e deposição imediata de uma camada de passivao adequada.
Uma fina camada de alumínio pode ser depositado sobre a superfície, para gettering o oxigénio.
Outra abordagem é a dopagem da superfície, aumentando o intervalo de banda e a redução da absorção de comprimento de onda de emissão de laser a, deslocando a absorção máxima vários nanómetros-se.
Crowding corrente perto da área do espelho pode ser evitada através da prevenção de injeção de portadores de carga perto da região de espelho. Isto é conseguido através do depósito dos eléctrodos de distância do espelho, pelo menos, várias distâncias de difusão transportador.
Densidade de energia na superfície pode ser reduzida pelo emprego de uma guia de onda alargar a cavidade óptica, de modo que a mesma quantidade de energia sai através de uma área maior. Densidade de energia de 15-20 mW / cm 2 correspondente a 100 mW por micrómetros de largura da faixa é agora possível. Uma faixa de laser mais ampla pode ser utilizada para a maior potência de saída, para o custo de oscilações em modo transversal e, por conseguinte, deterioração da qualidade do feixe espectral e espacial.
Na década de 1970, este problema, que é particularmente perturbador para os lasers de GaAs baseada emissores de entre 1? M e 0,630? M comprimentos de onda (menos para os lasers baseados InP usados para telecomunicações de longa distância que emitem entre 1,3? M e 2 m), foi identificado. Michael Ettenberg, pesquisador e mais tarde vice-presidente da RCA Laboratories' David Sarnoff Research Center em Princeton, New Jersey , concebeu uma solução. Uma fina camada de óxido de alumínio foi depositada sobre a faceta. Se a espessura do óxido de alumínio é escolhido correctamente, ele funciona como um revestimento anti-reflexivo , reduzindo reflexão na superfície. Este aliviou o aquecimento e COD no faceta.
Desde então, vários outros refinamentos foram empregados. Uma abordagem é a de criar uma assim chamada espelho não-absorvente (NAM) de tal modo que o final de 10? M ou menos, antes da luz emite a partir da faceta clivado são tornadas não-absorvente no comprimento de onda de interesse. Esses lasers são chamados lasers janela .
Nos primeiros anos 1990, SDL, Inc. começou a fornecer lasers de alta potência diodo com boas características de confiabilidade. CEO Donald Scifres e CTO David Welch apresentados novos dados de desempenho confiabilidade a, por exemplo, SPIE conferências Photonics West da época. Os métodos utilizados pela SDL para derrotar COD foram consideradas altamente proprietárias e ainda não foram divulgadas publicamente a partir de junho de 2006.
Em meados da década de 1990 IBM Research (Ruschlikon, Suíça ) anunciou que tinha inventado o seu assim chamado "processo E2", que conferia uma resistência extraordinária para COD em lasers baseados em GaAs. Este processo, também, nunca foi divulgado em junho de 2006.
Outras leituras
Graduar tese cerca de COD em lasers de alta potência diodo de 2013