Влияние магнитного поля на лазерные диоды

Gall · Post by **Gall** » Sun May 24, 2009 5:19 pm

Пришла в голову бредовая идея: а нельзя ли полем сильного магнита "пошевелить" энергетические уровни в полупроводниковом лазере, по аналогии с тем, как это делают в газовых? Если это так, то можно было бы улучшать спектры лазеров. Если нет, то почему - казалось бы, магнитное расщепление уровней должно быть, да и эффект Фарадея тоже? К сожалению, сам пока не могу попробовать - болею, лежу, с интерферометрами возиться не могу...

sifun · Post by **sifun** » Sun May 24, 2009 8:36 pm

Поля до полтесла точно не влияют на мощность.
Спектр посмотреть не догадался. Завтра посмотрю своим кривым фабри-перо.

Sogokon'A · Post by **Sogokon'A** » Mon May 25, 2009 10:25 am

У полупроводников "сильно развит" эффект Холла. Поэтому при большой наряженности магнитного поля возможно и удастся что-либо "пошевелить".

Gall · Post by **Gall** » Mon May 25, 2009 10:44 am

В газовых лазерах магнитное поле сдвигает энергетические уровни относительно мод резонатора и позволяет тем самым в некоторой мере улучшать селекцию мод без дополнительных эталонов. Поскольку продольные моды многомодовых лазеров без окон Брюстера обычно по-разному поляризованы, еще доним рычагом управления становится эффект Фарадея. Как раз читаю про то, как стабилизируют газовые лазеры, и удивляюсь, что мешает так же сделать с полупроводниковым.

Магнитное поле предполагаю брать от постоянных магнитов неодим-железо-бор, продольное от колечка, а поперечное - от приложенных по бокам двух пластин. Магниты легко двигать, и есть надежда, что этот прием позволит выводить лазеры на одночастотный режим без сложной возни с температурой. Если же поле потребуется более сильное, чем дают неодимовые магнитики, то овчинка видимо не стоит выделки...

Интересно, эффект Холла может напакостить?

Sogokon'A · Post by **Sogokon'A** » Mon May 25, 2009 3:38 pm

Gall wrote: и удивляюсь, что мешает так же сделать с полупроводниковым.

Сам полупроводник и мешает. В газовом лазере каждый атом сам вправе выбирать в какую продольную моду вложить свою энергию. Т.е. в формировании той или иной моды, разрешенной резонатором, принимают участие разные атомы, причем один и тот же атом в разные периоды своей жизни может излучать в разные моды, в зависимости от того, куда и с какой скоростью он несется. В полупроводнике, представляющем собой кристаллическую решетку, искаженную примесями в той или иной степени, атомы сидят, как зэки в тюрьме, и все атомы вынуждены выполнять все требования начальства, поэтому каждый атом излучает во все без исключения разрешенные резонатором (начальником) моды. В этом то и трудность получения одночастотного режима в твердотельных лазерах.

Интересно, эффект Холла может напакостить?

Не знаю, не вникал, не читал, не слышал.

Gall · Post by **Gall** » Mon May 25, 2009 5:19 pm

А вот это уже зависит от симметрии решетки. Если она достаточно высока (кубическая, например), то все атомы действительно будут излучать во все разрешенные резонатором моды. Однако если ввести внешнее поле, правильно сориентированное по отношению к решетке (не проблема, так как в лазерном диоде монокристалл закреплен в предсказуемой ориентации), можно не просто вызвать расщепление уровней, но и сделать атомы неэквивалентными, понизить симметрию (еще ведь эффект Яна-Теллера есть, да...). Я хотя и занимался квантовомеханическими расчетами, пока не могу сообразить, как правильно количественно это сосчитать, но прикидка в уме по теории групп показывает, что "что-то будет". Если я в ней не лопухнулся, конечно.

Gall · Post by **Gall** » Mon May 25, 2009 5:47 pm

Проверяю рассуждения. Берем GaAs, у него решетка типа цинковой обманки, а у цинковой обманки есть ось 4-го порядка с инверсией. Направим поле под 45 градусов к этой оси в перпендикулярной ей плоскости - ось снимется, а атомы каждого элемента разобьются на два типа: те, чей сосед по полю, и те, чей сосед против поля. Ясно, что на симметрию фотона это тоже повлияет. Получилось два типа атомов и скорее всего стало хуже - вместо одной моды имеем две. Пойдем с другого конца. Пусть у нас уже есть нарушение симметрии, связанное с наличием собственно конструкции лазера и направлением луча. Тогда атомы изначально раздвинуты по энергиям, и хуже не станет. Добавим поле в плюс к тому, что уже есть - расщепление усилится. Удастся ли нам настолько его раздвинуть, чтобы выжила только одна мода?

Gall · Post by **Gall** » Mon May 25, 2009 6:26 pm

Нашел статьи, причем старые!

"Increased tuning range of Pb1-xSnxSe diode lasers using small magnetic fields", Flicker, H.; Nereson, N. // IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 12, issue 6, pp. 326-330, 1976. Авторы утверждают, что им удавалось перестраивать по частоте (!) в широком диапазоне лазерный диод за счет внешнего магнитного поля и регулировки тока. Обнадеживает.

А вот нечто свеженькое:
"Acousto-optic modulator based frequency stabilized diode laser system for atom trapping", Rev. Sci. Instrum. 80, 053101 (2009). Здесь авторы не очень понятно что делали, но у них "inexpensive commercial laser diode" стабилизировался на одной частоте с дрейфом меньше 850 килогерц при ширине линии в 1.3 МГц без дополнительных резонаторов! Непонятно, чем они управляли лазером - акустооптика, я так понимаю, требовалась для измерения луча, а управляло что-то другое.

Попутно нашел в инете еще один способ улучшить характеристики лазерного диода. Нужно перед ним поставить дифракционную решетку, которая бы луч нулевого порядка пропускала на выход, а луч первого порядка отправляла обратно в лазер. Такая решетка работает как внешний эталон.

Из болванки DVD-R(W)-диска можно сделать хорошую пару решеток - на отражение и на пропускание. Для этого болванку нужно аккуратно расщепить острым ножом по склейке, после чего смыть спиртом голубоватый краситель, на который делается собственно запись.Одна из половин будет прозрачной, другая серебряной, и обе с совершенно ровными решетками. 1351 штрих на миллиметр, к сожалению по окружности, но для тонкого луча это не мешает. Диски с фабричной записью использовать нельзя - у них дорожки искажены записью. А на болванках запись смывается вместе с красителем.

sifun · Post by **sifun** » Mon May 25, 2009 6:35 pm

Хватит теории. Взял диод от НЕК 7173
Попробовал помучить неодимовым магнитом с индукцией точно более 500 гауссов(датчик холла SS495 насыщается на расстоянии полтора сантиметра). Результат НИКАКОЙ, картинка в фабри-перо нисколько не изменяется при отдалении/приближении/повороте магнита. Повертел всеми возможными способоми.
Если эффект и есть, то поля нужны гораздо сильнее, возможно поможет концентратор.
В гелий-неонниках такой приём действительно применяют, сам такой разбирал с потёкшей трубой. но поля там очень слабые. Маленткие керамические магниты, которые еле-еле притягивают отвёртку.

Gall · Post by **Gall** » Mon May 25, 2009 7:27 pm

А какое разрешение у Фабри-Перо и был ли лазер изначально на одночастотном режиме или нет?