Министерство образования РФ

МИИГАиК

Кафедра ОЭП

Отчет

по дисциплине «Лазеры»

на тему «Полупроводниковые лазеры»

Выполнил: студент

МСИС IV-1б

Шестаков Н. А.

Проверил: доцент, к.т.н.

Фотиев Ю. А.

Москва, 2011

Классификация лазерных источников излучения

Принципиальная схема лазера

Полупроводниковые лазеры – это лазеры в которых в качестве активной среды используются полупроводниковые кристаллы.

Общие сведения:

• 60% лазеров на мировом рынке – это полупроводниковые лазеры;

• Полупроводниковые лазеры используются для волоконно-оптических линий связи; лазеры для телевизоров;

• Основные преимущества и недостатки:

  1. Преимущества:

     1. Миниатюрность (малогабаритность);

     2. Малая потребляемая мощность;

     3. Малый вес;

  2. Недостатки:

     1. Работа в инфракрасной области спектра;

     2. Усложнение юстировки;

     3. Усложнение процесса наведения и контроля работы;

     4. Большая расходимость (до 60˚);

     5. Большая зависимость от температуры для длины волны и мощности излучения;

• Ведется работа по созданию новых полупроводниковых лазеров.

2001 г. Жорес Иванович Алферов – нобелевская премия по физике за создание полупроводниковых лазеров на гетероструктурах.

Для уменьшения расходимости используют аноморфотную оптику.

Аноморфотная оптика – видоизменяющая оптика.

Пример: Использование цилиндрической линзы с коротким фокусным расстоянием для уменьшения угла расходимости. (Большая расходимость (до60˚) за счет дифракции лазерного пучка на малом размере p-n перехода.)

Зависимость от температуры для длины волны и мощности излучения:

Температура увеличивается => Увеличивается ширина валентной зоны => Изменяется длина волны и мощность излучения.

Поэтому необходимо использовать системы охлаждения, которые носят весьма разнообразный характер, а конкретный выбор в первую очередь определяется необходимой холодопроизводительностью. Чаще всего применяют следующие охлаждающие устройства:

1. Сосуд Дьюара с жидким азотом (Т = 77К) или гелием (Т = 4.2К);

2. Теплообменники с эффектом Джоуля-Томпсона понижения температуры газа при его резком расширении (р_о до 3*10⁷Па, Т = 78 ÷ 80К);

3. Термоэлектрическое охлаждение с использованием мощных термопар, соединенных в каскады (Т = 170 ÷ 200К);

4. Микрокриогенная техника.

На сегодня созданы: красные полупроводниковые лазеры (0.78 мкм)

зеленые полупроводниковые лазеры (0.55 мкм)

синие полупроводниковые лазеры (0.44 – 0.5 мкм)

Активная среда

В полупроводниковых лазерах в качестве активной среды используют полупроводниковые кристаллы. По своему внутреннему строению полупроводниковые активные среды относятся к твердотельным лазерам, однако излучательные квантовые переходы в них происходят между энергетическими зонами. В полупроводниковых лазерах активными являются атомы, составляющие кристаллическую решетку, поэтому плотность активных частиц в полупроводниковых лазерных элементах на два и более порядков выше, чем твердотельных лазеров, а, следовательно, они имеют больший коэффициент усиления среды на единицу длины. Это дает возможность генерации при длине активного элемента от 0.1 до 1 мм.

Активный элемент полупроводниковых лазерах представляет собой кристалл, обладающий полупроводниковыми свойствами (Например: Арсенид Галлия, Фосфид Тулия, Сурьмянистый Индий и др.) и способны обеспечить инверсные состояния при соответствующем возбуждении. Обычная форма кристалла – параллелепипед с размером сторон в несколько мм. Две противоположные грани получаются либо полирование, либо скалыванием перпендикулярно оси кристалла и образуют резонатор полупроводникового лазера.

В силу плоской конфигурации резонатора требования к полировке и взаимной параллельности двух выходных граней очень высоки. Другие грани шероховаты или делаются под некоторым углом друг к другу, чтобы исключить возможность паразитной генерации.

Свойства излучения полупроводниковых лазеров определяются, в основном, активной средой, т.е. полупроводником. Высокая плотность активных частиц нарушает когерентность и монохроматичность излучения и, следовательно, по этим параметрам полупроводниковые лазеры имеют худшие из всех лазеров показатели в сравнении с газовыми и твердотельными. Кроме того степень монохроматичности в лазере определяется тем, что лазерный переход возникает между широкими энергетическими зонами, ширина которых существенно зависит от концентрации примесей и температуры. Эти изменения могут проходить в процессе генерации излучения, когда температура кристалла может достигать значения сотен и даже тысяч Кельвин.

Характерный вид активного элемента инжекционного полупроводникового лазера.

Излучающей областью полупроводникового лазера – является p-n переход – весьма узкий участок кристалла. Расходимость лазерного пучка определяется дифракцией и у полупроводниковых лазеров диаграмма направленности носит сложный характер.

Расходимость по двум взаимно перпендикулярным осям обратно пропорциональна толщине и ширине p-n перехода.

У полупроводникового лазера не симметричный пучок – эллипс.