بررسی تنظیم پذیری لیزر حالت جامد InP/InxGa1-xAsP برای کاربردهای پزشکی: تاثیر تغییر گاف نواری و اندازه کاواک

به دلیل بهبود پیوسته فناوری لیزرهای دیودی، این گونه از لیزرها به گونه فزاینده ای برای کاربردهای پزشکی در کانون توجه قرار گرفته اند. لیزرهای دیودی هم زمان تنظیم پذیری و توان گسیلشی بالا و  اندازه کوچک با قیمت به صرفه را ارایه می دهند. بنابراین، لیزرهای دیودی به گونه فزاینده ای در کاربردهای مهمی همچون لیزر شبکیه ای پی آر پی، توموگرافی اپتیکی همدوس، تصویر برداری اپتیکی افشانده، تصویربرداری زمان عمر فلورسان و تصویربرداری تتراهرتز ترجیح داده شده اند. در این مقاله لیزر دیودی حالت جامد با ناحیه اکتیو InP/InxGa1-xAsP مورد بررسی قرار می گیرد. بازه بینابی که این گونه از لیزرها در دسترس هستند به طور عمده به گاف نواری ماده موجود در بخش فعال مربوط است. بنابراین در این پژوهش با تغییر درصد عناصر موجود در ماده فعال، گاف نواری بهینه برای رسیدن به بیشینه بهره لیزری به دست می آید. همچنین به منظور دست یابی به بهینه ترین مقادیر مشخصه های خروجی، تغییرات مشخصه های یاد شده با ابعاد کاواک لیزری نیز بررسی می شوند.

در این پژوهش یک مدل بهره اپتیکی وابسته به بسامد برای برآورد بیناب گسیلشی نور به کار می رود. این کار با کد نویسی در محیط برنامه Silvaco 2014 انجام می پذیرد. برای این منظور: 1- ساختار لیزر با کمک دستورات Atlas تعریف می شود، 2- مدل های قطعه و بایاس اولیه تنظیم  می گردد، 3- ماژول LASER در  Atlas فعال می شود، 4- مش بندی فضا برای حل معادله موج هلمهولتز انجام می پذیرد، 5- مدل های فیزیکی لیزر و پارامترهای وابسته مانند مدل بهره اپتیکی وابسته به بسامد تعریف می شوند و 6- پارامترهای الکتریکی و اپتیکی لیزر محاسبه می شوند.

نتایج حاصل از شبیه سازی ها نشان دادند که مشخصه های خروجی لیزر دیودی InP/InxGa1-xAsP به شدت به تغییرات نسبت x و ابعاد کاواک لیزری حساس هستند. مشاهده گردید که با افزایش مقدار x و در نتیجه کاهش گاف انرژی، توان لیزری بر حسب جریان بایاس افزایش پیدا نمود و بهره اپتیکی به ازای 25/0=x به بهینه مقدار خود رسید. همچنین رابطه مستقیمی بین توان خروجی لیزر و ابعاد کاواک دیده شد در صورتی که بهره اپتیکی با افزایش طول کاواک کاهش محسوسی یافت. برآیند نتایج مشخص نمود که برای لیزر دیودی طراحی شده بهینه مقادیر x و L به ترتیب برابر 25/0 و 50 میکرون می باشند.

در این مقاله تلاش گردید تا با بهینه سازی دو پارامتر نسبت عناصر In و Ga (x) و نیز ابعاد کاواک لیزری L که به عنوان مشدد لیزری عمل می کند، مشخصه های خروجی شامل توان گسیلیده لیزری، مشخصه جریان-ولتاژ، بهره اپتیکی و چگالی فوتونی محاسبه گردند. محاسبه های صورت گرفته نشان می دهد که با انجام تنطیمات موثر بر روی ساختار و پیکربندی لیزر حالت جامد InP/InxGa1-xAsP امکان چیرگی بر معایبی مانند توان خروجی پایین تر نسبت به لیزرهای گازی، پهنای طیفی گسترده و کار در رژیم چند مد فراهم می شود. نتیجه این که به دلیل مزیت هایی از جمله امکان پمپاژ به وسیله جریان الکتریکی، بازدهی بسیار بالا، ابعاد کوچک، سادگی اتصال به فیبرهای نوری و هزینه بسیار پایین در قیاس با لیزرهای گازی، با انجام مهندسی بر روی گاف نواری، زیرلایه و اندازه کاواک از این گونه لیزرها می توان به طور گسترده در پزشکی، دندانپزشکی و سایر شاخه ها مانند جراحی پلاستیک استفاده نمود.