103.2. Полупроводниковый лазер на p-n-переходе.

Энергетический спектр идеального полупроводника состоит из очень широких зон: это валентная зона V и зона проводимо­сти С, разделенные областью запрещенных значений энергии (запрещенной зоной).

Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V (т. е. рекомбинировать с дыркой), то, если поместить такой полупроводник в соответствующий резонатор, можно получить лазерную генерацию. Необходимым условием лазерной генера­ции должно быть превышение числа вынужденных актов испускания фотонов над числом актов их поглощения. Чтобы получить вынужденное излучение, должно вы­полняться условие

Bq[f_с(1–f_υ)-f_υ(1–f_c)]>0.

Принцип действия полупроводникового лазера с р–n–переходом, а – нулевое смещение; б–смещение в прямом направлении.

Ha рис.1 схематически показано устройство лазера, ис­пользующего р–п–переход (заштрихованная область представ­ляет собой запирающий слой). Чтобы получить лазерную генерацию, две про­тивоположные поверхности полупроводникового образца поли­руют и делают плоскопараллельными, а две другие оставляют грубо обработанными с тем, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях. Обычно обе рабочие поверх­ности не имеют отражающих покрытий.

а – схема устройства полупроводникового лазера; б – распределе­ние интенсивности излучения лазера в поперечном сечении.

Полупроводниковый лазер не может работать в непрерывном режиме при температурах выше неко­торой критической температуры Т_с. Повышенные тем­пературы требуют более высокой плотности тока, которая в свою очередь приводит к дальнейшему росту температуры, исключая таким образом возможность получений непрерывного режима генерации. Самые эффективные лазеры имеют очень широкую полосу генерации (>10¹¹Гц)

103.3. Твердотельный лазер на кристалле рубина.

Режимы работы рубиновых лазера. Наиболее распространен импульсный режим работы: лампа-вспышка выдает импульс света длительностью 10^–3 сек.

В соответствии с этим рубиновый Л. из­лучает импульс когерентного света длительностью несколько мень­шей, чем 10^–3 сек. Последнее связано с тем, что нужно некоторое время для создания инверсии населенности, после которой начина­ется генерация. Генерация будет длиться до тех пор, пока интен­сивность света лампы-вспышки не станет меньше величины, уже недостаточной для поддержания генерации.

Рубиновый стержень помещается между зеркалами З₁, и З₂. Лампы-вспышки Л₁ и Л₂, осуществляющие накачку лазера, размещаются либо вдоль рубинового стержня, либо лампа в виде спирали Л окружает стержень. Рубиновый стержень и лампы ок­ружаются отражающим кожухом для лучшего использования света ламп. Генерация света развивается в пространстве между зеркалами вдоль кристалла рубина.

Часто для повышения мощности в качестве отражателя применяется эллиптический цилиндр, в одной фокальной линии которого помещается лампа-вспыш­ка Л, а в другой – рубиновый стержень Р. Эллиптический цилиндр фо­кусирует свет лампы на кристалл Р. Этим достигается более эффек­тивное использование света накачки. Иногда для увеличения энергии накачки вместо одной лампы приме­няют две или четыре. В таком случае используются совмещенные эллиптические отражатели.

В некоторых конструк­циях лазеров предусматривается охлаждение кристалла проточной водой и даже жидким азотом. Для этого стержень рубина помещается в стеклянный сосуд, в котором циркулирует охлаждающая жидкость.