1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом
Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй - рабочего. Интервал между этими импульсами выбирается меньше постоянной времени релаксации предварительно ионизированных частиц, что существенно облегчает условия для возникновения основного электрического разряда и позволяет повысить КПД системы.
6.7 Принцип работы полупроводникового лазера. Пороговый ток
Полупроводниковые лазеры – это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют иной принцип работы.
С
хематически
процесс возникновения усиления в
полупроводниках (для обычных случаев
межзонных переходов) показан на рисунке.
Conduction band - зона проводимости, valence band - валентная зона, pumping - накачка, light emission - излучение света.
Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро релаксируют в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией.
Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы.
О
сновными
материалами для полупроводниковых
лазеров (и для других оптоэлектронных
устройств) являются:
GaAs (арсенид галлия)
AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)
GaP (фосфид галлия)
InGaP (фосфид галлия - индия )
GaN (нитрид галлия)
InGaAs (арсенид галлия - индия)
GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)
InP (фосфид индия)
GaInP (фосфид галлия-индия)
6.8.Виды полупроводниковых лазеров – лазеры на гетерорструктурах, квантовых ямах и квантовых точках.
Лазер на квантовых точках — полупроводниковый лазер, который использует в качестве активной лазерной среды квантовые точки в их излучающей области. Из-за жёстких ограничений на передвижение носителей заряда в квантовых точках, они имеют электронную структуру, похожую на атомы. Лазеры, изготовленные на таких активных средах, обладают характеристиками, похожими на характеристики газовых лазеров, и в них удаётся избежать некоторых негативных аспектов устройств, которые имеются у традиционных полупроводниковых лазеров с активной средой на основе объёмных структур или на квантовых ямах. Наблюдается улучшение характеристик по полосе частот, порогу генерации, относительной интенсивности шума, увеличению ширины спектральной линии и нечувственности к колебаниям температуры. Активную область квантовой точки можно также рассчитать для работы на различных длинах волн, изменяя размер и состав точки. Появилась возможность производить лазеры на квантовых точках для работы на таких длинах волн, на которых ранее сделать это не представлялось возможным с использованием прежних технологий полупроводниковых лазеров.
В последнее время устройства с активными средами на основе квантовых точек находят коммерческое применение в медицине (лазерные скальпели, оптическая когерентная томография), технологии (проекционные устройства, лазерные телевизоры), спектроскопии и телекоммуникации. Лазер на квантовых точках на 10 Гбит/с, нечувствительный к колебаниям температуры, разработан с применением этой технологии для работы в оптических линиях связи и оптических сетях. Лазер обеспечивает высокую скорость работы на длине волны 1,3 мкм в температурном диапазоне от 20 °C до +70 °C. Он работает в оптических системах передачи данных, оптических локальных сетях и городских вычислительных сетях. По сравнению с характеристиками предыдущих обычных лазеров на квантовых ямах новые лазеры на квантовых точках имеют значительно более высокую температурную стабильность.7 октября 2010 года японская компания Fujitsu и физики из Университета Токио представили первый в мире квантовый точечный лазер, позволяющий передавать данные со скоростью 25 Гбит/сек на одном луче.
Предшественником лазера на структуре, содержащей квантовую яму, является инжекционный полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой, упрощенная схема и энергетическая диаграмма которого показаны на рис. Двойная гетероструктура содержит n- и p-слои полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, между которыми находится так называемый активный слой прямозонного p-полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. Инверсия населенности уровней достигается при большом прямом токе за счет инжекции избыточных носителей в активной слое. При рекомбинации электронов и дырок в этом слое генерируется когерентное излучение, выходящее через полупрозрачные зеркала. Генерация возникает, если усиление светового излучения при его взаимодействии с активным слоем превосходит потери энергии, обусловленные выходом излучения наружу и поглощением его в гетероструктуре. Усиление света превосходит потери энергии, если ток через гетероструктуру превышает некоторое значение, которое называется пороговым.
|
|
|
|