Висновок:

1. Яку фізичну величину Ви визначали? Описати, яким чином Ви це робили.

2. Дати аналіз отриманим даним. Для чого Ви розраховували похибки?

Контрольні запитання

1. Дати визначення явища фотопровідності.

2. Що таке рівноважні та нерівноважні носії заряду?

3. Що таке коефіцієнт рекомбінації?

4. Що таке швидкість генерації та рекомбінації носіїв заряду?

5. Від чого залежить середній час життя нерівноважних носіїв заряду?

6. Чи може впливати величина освітленості на час життя нерівноважних носіїв заряду?

7. Як впливає величина освітленості фоторезистора на його швидкодію при вмиканні та вимиканні світла?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 52

Дослідження напівпровідникового лазера.

Мета роботи: вивчити принцип роботи напівпровідникового лазера

Завдання:

1 Визначити довжину хвилі лазерного випромінювання

2 Дослідити залежність товщини лазерного променю від відстані та кута повороту до об’єкту.

Обладнання та інструменти: напівпровідниковий лазер, дифракційна решітка, оптична міні лава, екран.

Вказівки на теоретичний матеріал:

3. Лазер – будова та принцип дії. Характеристики лазера.

Теоретичні положення

Принцип дії

Фізичної основою роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання ^[8]. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випроменити фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінений фотон когерентний фотону, який викликав випромінювання (є його "точною копією"). Таким чином відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрямки розповсюдження, поляризацію і фазу ^{[9] [10]}.

Гелій-неоновий лазер. Світловий промінь в центрі - це не власне лазерний промінь, а електричний розряд, який породжує світіння, подібно тому, як це відбувається в неонових лампах. Луч проектується на екран праворуч у вигляді світної червоної крапки. Ймовірність того, що випадковий фотон викличе індуковане випромінювання порушеної атома, в точності дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходяться в збудженому стані [11]. Тому для посилення світла

необхідно, щоб збуджених атомів в середовищі було більше, ніж збудженому (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера ( оптичні, електричні, хімічні та ін) ^[12].

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення наступності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якої випромінюють фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активна середу лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатора, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (обертові призми, осередку Керра та ін) для швидкого виключення і включення зворотнього зв'язку і зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси) ^[9]. Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.

Генерується лазером випромінювання є монохроматичним (однієї або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більше, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі будуть домінувати над усіма іншими фотонами ^[12]. Крім цього, через особливого розташування дзеркал у лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які розповсюджуються в напрямку, паралельному оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости ^[13]. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера ^[14].

Будова лазера

На схеме обозначены: 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч. Все лазеры состоят из трёх основных частей: активной (рабочей) среды; системы накачки (источник энергии); оптического резонатора.

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества : твёрдое, жидкое, газообразное, плазма ^[15]. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана ^[16] :

здесь N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N ₀ - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана, T - температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера ^[1] :

здесь I ₀ - начальная интенсивность, I _l - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a ₁ - коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону ^[1] :

где a ₂ - коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе ^[17]. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.) ^[1].

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых) ^{[9] [18]}. При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества ^[19]. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через pn переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.) ^[17]

На рисунке: а - трёхуровневая и б - четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в ру-биновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al 2 O 3, легированный не-большим количеством ионов хрома Cr 3+, ко-торые и являются источником лазерного из-лучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E 2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает воз-можным использование немонохроматичес-кого излучения в качестве накачки [9].

При этом атом переходит из основного состояния с энергией E ₀ в возбуждённое с энергией около E ₂. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 ⁻⁸ с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E ₁, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 ⁻³ с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации ^{[17] [20]}.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E ₀ на уровень E ₁ нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации ^[9].

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd ³⁺, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E ₂ и основным уровнем E ₀ имеется промежуточный - рабочий уровень E ₁. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E ₂ и E ₁. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня ( E ₂) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня ( E ₁). Это значительно снижает требования к источнику накачки ^[17]. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений ^[15]. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η _{квантовое} = hν _{излучения} /hν _{накачки})

Оптический резонатор

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной свя-зи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответст-вующие стоячим волнам данного резонатора [21], и подавляя другие [16]. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n :

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

здесь c - скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым ^[22]. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии ^[12].

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид ^[16] :

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов ^[23].

Напівпровідникові лазери

Напівпровідникові лазери (НЛ) володіють рядом факторів на відміну від других лазерів, які дали можливість їх масово застосувувати, а саме безпосереднє живлення від низьковольтних джерел струму, високий ККД, простота і компактність пристрою, особливо інжекційних лазерів, висока швидкодія.

Залежно від методів створення інверсної заселеності проведена класифікація НЛ:

-інжекційні,в яких інверсний стан утворюється шляхом зустрічної дифузії електронів і дірок у діоді при прямій напрузі;

-з електронним або оптичним накачуванням,коли інверсія створюється швидкими електронами або фотонами відповідно;

-стримерніколи сильне електричне поле за рахунок лавини носіїв створює у вузькому каналі (стримері) інверсну заселеність.

Рис.2. Діаграма енергетичних рівнів: а) переходи у рівновазі, б) у зовнішньому електричному полі.

Для здобуття інверсної заселенності проводять слідуючі дії: з’єднують р - напівпровідник та n- напівпровідник, на границі розділу напівпровідників виникає стрибок потенціалу, що запобігає пронкненню електронів у кристал, в якому є електрони (а). Для здобуття інверсної заселенності необхідно велика концентрація електронів і дірок (повинно бути занято більше половини рівнів в деякій смузі енергій), тобто напівпровідник повинен мати велику кількість домішок. Якщо до р - n переходу прикласти зовнішню напругу, що знімає стрибок потенціалу між двома частками напівпровідника, то рівноважний розподіл електронів порушиться і через напівпровідник піде струм. При цьому електрони переходять в область де багато дірок, а дірки-де багато електронів, на проміжку в декілька мікрон виникає інверсна заселеність. Утворюється шар напівпровідника, який здатний підсилювати електромагнітні коливання за рахунок примусового випромінювання квантів при переході електронів із зони провідності у валентну зону (б).

Рис.3. Діаграма напівпровідникових лізерів: а - звичайні лазери, б – з випромінюючим дзеркалом.

Можливі й інші методи отримання інверсії. Фізичні закономірності ті ж, що і при електронному збудженні. НЛ мають високий коефіцієнт підсилення (GаАs - α ~-10² см^-1 при Т - 300 К і α - 10⁵ см^-1 при Т = 77 К). Це дозволяє реалізувати лазерний ефект при дуже малих розмірах активних елементів — частки мкм і, відповідно, мати НЛ малих розмірів, однак це обмежує потужність. При розмірах (0, 2 - 1) · (3 - 20) мкм² потужність в імпульсі 10 - 20Вт. Звичайно, їх можна зібрати в матрицю і тоді потужність можна довести до кількох кВт. З іншого боку — малі розміри випромінюючої поверхні і нерівномірність їх світіння зумовлюють велику розбіжність випромінювання НЛ — у площині р-п переходу 6 - 12° і в перпендикулярній — 20 - 40°.

Довжина хвилі генерації НЛ визначається шириною забороненої зони використаного матеріалу, оскільки лазерний ефект у напівпровідникових матеріалах зумовлений переходом електронів із зони провідності до валентної зони.

Рис. 5. Діаграма енергетичних рівнів (групи неперервно розміщених енергетичних рівнів-зони): а-для металу, б-для напівпровідника (верхня група рівнів - зона провідності, нижня валентна зона, ∆ Е – діапазон заборонених енергій.

Основна маса рекомбінуючих електронів і дірок знаходиться біля дна зони провідності і стелі валентної зони. Тому енергія кванта, який випромінюється, , де ΔЕ — ширина забороненої зони, тобто, . Діапазон генерації НЛ~ 0, 32 (ZnS) - 8, 5 (РbSе)мкм.

Вище вказані фактори визначають переваги їх використання у волоконно-оптичному зв'язку, оптичних системах пам'яті (видопошукова апаратура), в знакодрукуванні, спектроскопічній діагностиці різних середовищ та матеріалів (вологометрія, моніторинг оточуючого середовища і т.п.), а також у наукових дослідженнях і промислових випробуваннях (спектроскопія високої роздільної здатності, атестація фотоприймачів, стандарти інтенсивності джерел випромінювання, різні види метрологічного калібрування і т. і.).

Великою перевагою напівпровідникового лазера, порівняно з іншими, є його малі розміри (~1 мм³). Напівпровідникові лазери можуть працювати як в імпульсному, так і в неперервному режимах. ККД теоретично може досягати значень, близьких до 100%, реально одержано 80%, що набагато більше, ніж у лазерах інших типів. Діапазон хвиль, випромінених напівпровідниковим лазером, надзвичайно високий – приблизно від 0,3 до 30 мкм.

Недоліками напівпровідникових лазерів є їх порівняно невелика потужність, велика ширина спектральної лінії (108-1012 Гц), великий кут розходження, який становить одиниці і навіть десятки кутових градусів.

Можливість використання напівпровідників в якості активної речовини є дуже привабливою, адже ці матеріали мають велику чутливість до зовнішніх впливів. Також їх властивостями можна керувати в дуже широких межах, змінюючи температуру, тиск, діючи на них світлом чи потоком заряджених частинок, вводячи різні домішки. Основи теорії напівпровідникових лазерів вперше були викладені в публікаціях Н.Г.Басова, Б.М.Вула, Ю.М.Попова, задовго до появи першого лазера на арсеніді галія. Напівпровідникові лазери серед всіх інших вирізняють завдяки таким особливостям:

1. В напівпровідникових кристалах має місце частинне просторове перекриття хвильових функцій атомів , і кожен енергетичний рівень в силу принципу Паулі зайнятий найбільше двома електронами. Вірогідність заповнення енергетичного рівня описується функцією розподілу Фермі-Дірака, а не функцією Больцмана. Отже, при розподіленні між зонного поглинання чи випромінювання на даній частоті необхідно говорити про переходи між двома розподіленнями енергетичних рівнів, а не між двома окремими рівнями.

2.Друга відмінність пов’язана з локалізованим розподіленням електромагнітного випромінювання вздовж p – n- переходу. Просторові характеристики цього випромінювання визначаються оптичними властивостями лазерного середовища, а не зовнішнім резонатором. Цей факт має великий вплив на порогове значення накачки.

На даний час створена велика кількість напівпровідникових лазерів різних типів і на різних матеріалах: ZnS, ZnO, CdTe, GaAs, GaAs_1-xSb_x, Al_1-xGa_xAs, Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y.