15 Твердотельные и жидкостные лазеры

Твердотельные лазеры. Активная среда - диэлектрический кристалл и специальное стекло. Возможность лазерного излучения существует у нескольких сотен различных диэлектрических кристаллов. Примером твердотельного лазера может служить лазер на рубине, исторически первый и широко используемый в настоящее время. Рубин представляется собой оксид Аl с примесью ионов Cr.Лазер на рубине даёт излучение тёмно-красного цвета с длиной волны около 0.69 мкм. Различные стекла для лазеров активируют редкоземельными элементами. Генерируемое излучение у лазеров на стёклах может быть с разной длиной волны, в частности 1мкм. Для твердотельных лазеров применяют исключительно оптическую накачку, н-р в виде излучения газоразрядных ламп (импульсных или непрерывного горения) или ламп накаливания. Источником накачки может быть и вспомогательный лазер.

Жидкостные лазеры. В качестве активной среды чаще всего используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Известны несколько сотен различных органических красителей, пригодных для лазерной генерации. Они позволяют получать излучение с длиной волны от 0.3 до 1.3 мкм, т.е. от ультрафиолетового до ультракрасного. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или от газоразрядной лампы.

16 Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры. Хотя они являются твердотельными, их принято выделять в особую группу.

Излучение в полупроводниках характеризуется тем, что в процессе лазерного усиления принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны с конечным числом уровней: зона проводимости и валентная зона. При этом испускание фотона произойдет только тогда, когда в ЗП имеется электрон, а ВЗ – одновременно и дырка. При термодинамическом равновесии распределение электронов в ЗП и в ВЗ описывае5тся функцией Ферми – Дирака.

; , (15)

где Т – абсолютная температура;

k – постоянная Больцмана;

_Fn, _Fp – уровни Ферми для электронов и дырок.

Функции f_n и f_p характеризуют вероятность того, что, уровень энергии  занят, т. е вероятность заполнения данного уровня электром. Тогда функции (1- f_n) и (1- f_p) определяют вероятность того, что данный свободен орт электронов, или что то же самое, занят дыркой. Значит, вероятность одновременного наличия электрона в ЗП и дырки в ВЗ равна произведению f_n(1- f_p). Вероятность обратного совпадения – электрона в ВЗ, а дырки в ЗП – f_p(1- f_n). Обозначим вероятность перехода между ЗП и ВЗ в единицу времени через В_ИЗЛ для испускания электрона и В_П для поглощения фотона. Тогда скорости испускания и поглощения фотонов можно записать в виде

(16)

где А – плотность состояния в зонах;

Q – энергия излучения.

Условием усиления излучения является превышение скорости излучения над скоростью поглощения: / Тогда из (15) и (16) нетрудно получить условие инверсии населенностей при прямых межзонных переходах, т.е. условие возможности лазерного усиления в полупроводнике.

.

Существует 2 типа полупроводниковых лазеров.

1.Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, от­чего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хо­рошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

Рис.4.

Накачка электронным пучком м.б. поперечной или продольной (рис.4а,б). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяют внешние зеркала. При продольной прокачке значительно ухудшается охлаждение полупроводника. Приме такого лазера – лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий к.п.д. около 25%.

В полупроводниковых лазерах наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие механизмы рекомбинации, которые не дают излучения (безизлучательная рекомбинация). К таким механизмам относят рекомбинацию на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударную Оже рекомбинацию и др. В случае безызлучательной рекомбинации свободного носителя происходит выделение фотона с очень маленькой энергией. Для генерации когерентного полезного излучения такой носитель потерян. Очевидно, что эффективность лазера тем выше, чем больше доля актов излучательной рекомбинации по сравнению с безызлучательной.

2.Второй тип полупроводникового лазера – инжекционный лазер.

В инжекционных лазерах инверсия населенности достигается при высоких уровнях инжекции, при этом для выполнения условия (16) материал хотя бы одной из областей (p или n) должен быть вырожденным. Энергетическая диаграмма p-n перехода инжекционного лазера в состоянии термодинамического равновесия (при отсутствии смещения на p-n переходе) приведена на рис.5а, а в режиме лазерного усиления (при прямом смещении на p-n переходе и плотности тока выше пороговой) – рис.5б.

Рис.5.

Принцип устройства инжекционного лазера изображен на рис.6. В нем имеется n-p переход, образованный

Рис.6.

ный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация и донорных и акцепторных примесей составляет 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 Грани, перепендикулярные плоскости р-n-перехода отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. Для инжекционных лазеров применяются главным образом GaAs.

При низких температурах интекционные лазеры на GaAs могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах, а при комнатной температуре только в импульсном режиме. Процесс возникновения генерации в лазере зависит от плотности тока интекции I. При подаче на р-n-переход прямого напряжения с ростом I возрастает разность между электронным и дырочным квазиуровнями Ферми E_Fn-E_Fp

Образующиеся при рекомбинации носителей фотоны имеют различную энергию и произвольное направление распространения. Среди фотонов есть и такие, которые распространяются в плоскости р-n-перехода. Сталкиваясь с возбужденными электронами и отражаясь от зеркал резонатора, они вызывают вынужденное излучение. Количество таких фотонов увеличивается с ростом прямого напряжения и соответственно плотности тока через р-n-переход. Когда I достигает некоторой пороговой плотности тока I_пор, выполняется условие инверсии населенностей. В результате количественных изменений процесса – роста вынужденного излучения – переходят в новое качество – режим генерации излучения.

Излучение лазеров на GaAs имеет длину волны 0,8 - 0,9 мкм, КПД от 50 до 60%. Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1мм дают мощность излучения в непрерывном режиме от 10мВт, а в импульсном режиме – до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения.