Способы накачки полупроводниковых лазеров

8.2. Типы лазеров и способы накачки

Классификация лазеров (рис. 8.3) производится с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки).

Рассмотрим различные типы лазеров и соответствующие им способы накачки.

Из перечисленных (рис. 8.3) способов накачки следует, прежде всего, выделить два способа – оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред – диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться также как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического). Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разрежен­ных газообразных активных средах, при давлениях 1 – 10 мм рт. ст. Соответствующие типы лазеров (на атомных переходах, ионные, молекулярные) объединяют общим термином газоразрядные лазеры. Наряду с твердотельными, жидкостными и полупро­водниковыми, газоразрядные лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники.

Рассматривая способы накачки, надо иметь в виду, что один и тот же способ может допускать, в свою очередь, два вида на­качки – импульсную и непрерывную. Так, для оптической накачки используют как газоразрядные импульсные лампы, так и лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электриче­ского разряда применяют как импульсные разряды, так и ста­ционарные (квазистационарные). При импульсной накачке энер­гия возбуждения поступает в активный элемент порциями, импуль­сами, а при непрерывной накачке – непрерывно, стабильно.

Импульсная накачка обладает рядом преимуществ по сравне­нию с непрерывной. При импульсной накачке, когда инверсия реа­лизуется лишь в течение некоторых промежутков времени, может оказаться несущественным требование быстрого очищения ниж­него рабочего уровня. Предположим, что при включении светового импульса накачки скорость, с какой заселяется верхний рабочий уровень, оказывается выше скорости заселения нижнего рабочего уровня. В этом случае лазер может работать за счет инверсии, возникающей в начале импульса возбуждения. Подобная ситуация показана на рис. 8.4. Из рисунка видно, что инверсия реализуется в начале импульса возбужде

ния – в течение промежутка време­ни . Ясно, что в данном случае скорость очищения нижнего ра­бочего уровня несущественна.

Приведенный пример поясняет, почему при использовании им­пульсной накачки возможно получение генерации в большем чис­ле активных сред и на большем числе переходов в данной среде, нежели при непрерывной накачке. Говоря о преимуществах им­пульсной накачки, надо отметить и тот факт, что ее легче реализо­вать технически. Непрерывный и притом доста­точно стабильный подвод энергии возбуждения к активной среде, как правило, технически сложнее импульсного. Кроме того, при импульсной накачке обычно отпадает необходимость в принудительном охлаждении нагревающегося активного элемента.

Импульсная накачка позволяет реализовать различные импульсные режимы генерации, когда лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или в виде последовательности импульсов. При этом удается осуществлять исключительно сильную концентрацию во времени и пространстве излучаемой световой энергии. Так, например, реализованы режимы генерации мощных сверхкоротких световых импульсов, имеющих длительность 10 -11 – 10 -12 с и мощность до 10 12 Вт.

По типу активной среды различают лазеры (рис. 8.5): газовые; лазеры; твердотель­ные, к которым можно отнести также полупроводни­ковые лазеры. В газовых лазерах (ГЛ) активной средой является газ или смесь газов, возбуждаемые газовым разрядом. Инверсия населённостей создаётся в результате избирательного возбуждения энергетических уровней, находящих

Источник

Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. — малые размеры и компактность (объём кристалла

10 -6 —10 -2 см 3 ). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 10 4 см -1 (см. Усиления оптического показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10 9 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Содержание

Люминесценция в полупроводниках

. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла — состояние с инверсией населённостей.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l » hc/DE, где h — Планка постоянная, с — скорость света.

Инверсия населённостей в полупроводниках

Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна E_c заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка E_u. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1 /₂ от состояний с вероятностью заполнения меньше 1 /₂. Если и — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой:

Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

В полупроводниковых лазерах применяют следующие методы накачки:

1) инжекция носителей тока через р—n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4) накачка путём пробоя в электрическом поле.

Наибольшее развитие получили полупроводниковые лазеры первых двух типов.

Инжекционные лазеры

. Лазер на р—n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла

20—40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току

1 кА/см 2 , а при пониженной температуре

10 2 A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р—n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р—р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в полупроводниковых лазерах на На р—n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р—n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

Полупроводниковые лазеры инжекционного типа (рис. 5) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (Pb_xSn_1-xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

Полупроводниковый лазер с электронной накачкой.

При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W

10 3 —10 6 эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном,

W/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П. л. достигает 10 6 вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6). Полупроводниковый лазер с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой — возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (

1 /₃); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией

Полупроводниковые лазерные материалы.

В полупроводниковых лазерах используются главным образом бинарные соединения типа А 3 В 5 , А 2 В 6 , А 4 В 6 и их смеси — твёрдые растворы (см. табл.). Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

Применение полупроводниковых лазеров

1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи);

2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.);

3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография),

4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.);

Читайте также:  Какие есть способы взаимодействия людей

5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах;

6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8).

Полупроводниковые лазеры (Э — накачка электронным пучком; О — оптическая накачка; И — инжекционные лазеры; П — накачка пробоем в электрическом поле)

Полупроводник	Длина волны излучения, мкм	Максимальная рабочая температура, К	Способ накачки
ZnS	0,32	77	Э
ZnO	0,37	77	Э
Zn1-xCdxS	0,32—0,49	77	Э
ZnSe	0,46	77	Э
CdS	0,49—0,53	300	Э, О, П
ZnTe	0,53	77	Э
CdS1-xSex	0,49—0,68	77	Э, О
CdSe	0,68—0,69	77	Э, О
CdTe	0,79	77	Э
GaSe	0.59	77	Э, О
GaAs1-xPx	0,62—0,9	300	Э, О, И
AlxGa1-xAs	0,62—0,9	300	О, И
InxGa1-xP	0,60—0,91	77	О, И
GaAs	0,83—0,90	450	Э, О, И, П
lnP	0,90—0,91	77	О, И, П
InxGa1-xAs	0,85—3,1	300	О, И
InP1-xAsx	0,90—3,1	77	О, И
InAs	3,1—3,2	77	Э, О, И
InSb	5,1—5,3	100	Э, О, И
PbS	3,9—4,3	100	Э, И
PbS1-xSx	3,9—8,5	77	О, И
PbTe	6,4—6,5	100	Э, О, И
PbSe	8,4—8,5	100	Э, О, И
PbxSn1-xTe	6,4—31,8	100	Э, О, И

Историческая справка.

Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р—n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р—n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании П. л. с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

• Басов Н. Г.. Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р—n-переходах вырожденных полупроводников, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1961, т. 40, в. 6;
• Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, «Успехи физических наук», 1965, т. 85, в. 4;
• Пилкун М., Инжекционные лазеры, «Успехи физических наук», 1969, т. 98, в. 2;
• Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, «Квантовая электроника», 1972, № 6 (12);
• Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения Инжекционных полупроводниковых лазеров, «Успехи физических наук», 1969, т. 97, в. 4.

П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.

Эта статья или раздел использует текст Большой советской энциклопедии.

Источник