Лазерная указка

Лазер, появившийся лет сорок назад как некий таинственный, экзотический лабораторный прибор, сегодня стал настолько привычным инструментом, что его, в виде лазерной указки, сделанной на основе полупроводникового лазера, можно купить даже в ларьках, торгующих разной мелочевкой — игральными картами, брелоками для ключей, газетами и гороскопами на текущий год. Но, несмотря на столь сомнительное соседство, лазер остается результатом глубокого осмысления теории строения вещества и продуктом высоких технологий. Полупроводниковый лазер придумали в 1962-м независимо и одновременно несколько американских исследователей (Р. Холл, М. И. Нейтен, Т. Квисти др.), хотя теоретическое обоснование его работы дал Н. Г. Басов с сотрудниками еще в 1958 году. Наиболее распространенным лазерным полупроводниковым материалом долгое время оставался арсенид галлия GaAr. Но в последнее время все чаще делают лазеры на гетероструктурах — тонких слоях различных по составу полупроводников. Огромный вклад в их создание внесли работы академика Ж. И. Алферова и его сотрудников (см. «Наука и жизнь» № 4, 2001 г.). Посмотрим, как работает активное вещество полупроводникового лазера.

Устройство лазерной указки. Источником питания (1) служат три соединенные последовательно миниатюрные батарейки с ЭДС 1,2 вольта каждая. Электронная схема (2) с кнопкой включения смонтирована в середине корпуса и подключена к лазерной головке (3). Лазерное излучение имеет длину волны от 630 до 680 нанометров (нм) и мощность менее одного милливатта. Линза (4) фокусирует его в тонкий луч.

Активная полупроводниковая среда имеет зону проводимости с избыточным количеством свободных электронов и валентную зону, где недостающие электроны заменены дырками. При рекомбинации электронов с дырками возникает когерентное излучение. Электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней — зоны проводимости — так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя пустое место — дырку. И если электрон с энергией Е самостоятельно (спонтанно) возвращается обратно в зону проводимости, происходит его рекомбинация с дыркой, имеющей энергию Е. При этом происходит излучение из запрещенной зоны фотона частотой ω = (Е - Е )/h. Поскольку ширина запрещенной зоны невелика, полупроводниковый лазер излучает в сравнительно узком интервале частот. А применение различных полупроводниковых материалов позволяет получать излучение в диапазоне от ближнего ультрафиолета (λ = 300 нм) до инфракрасного света длиной волны более 40 мкм (1 мкм = 1000 нм).

Активный элемент полупроводникового лазера представляет собой брусок монокристалла объемом несколько десятков кубических миллиметров, а его излучающая часть — полоску длиной от 100 до 300 микрон. Из-за чрезвычайно малой длины излучателя лазерный луч сильно расходится — на угол до 40°. Накачку полупроводникового лазера чаще всего осуществляют постоянным электрическим током напряжением не более 3 вольт (при этом до 0% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат зеркальные грани кристалла полупроводника (их не полируют, а получают, раскалывая монокристалл). Миниатюрные размеры полупроводниковых лазеров, долговечность (до 100 тысяч часов безотказной работы) и довольно высокая мощность излучения (1—3 мВт) делают их незаменимыми в устройствах оптической записи и считывания информации, системах оптоволоконной связи, геодезической аппаратуре других областях техники. Но только лазерная указка дает возможность любому взять в руки это удивительное устройство — полупроводниковый лазер. В лазерной указке нередко имеются два полупроводниковых диода: сам лазер и светодиод. Они смонтированы в единый блок с тремя выводами — от катода лазерного диода, анода светодиода и общий. Фотодиод создает отрицательную обратную связь в цепи питания лазера, поддерживая постоянной интенсивность его излучения. Связь эта осуществляется оптически: лазерный луч освещает фотодиод, который вырабатывает ток смещения, управляющий транзистором в цепи питания лазера. Если интенсивность луча возрастает, устройство уменьшает силу тока, проходящего через лазер, если падает — увеличивает ее.

Лазерная головка. В ней, как правило, кроме самого полупроводникового лазера имеется еще и фотодиод, который вырабатывает сигнал отрицательной обратной связи и стабилизирует интенсивность излучения. На выходе луча стоит линза, компенсирующая его расходимость, поэтому на расстоянии 10—15 метров размер светового пятна оказывается порядка сантиметра.

Лазерные указки могут пригодиться не только лекторам и докладчикам. Их используют для демонстрации опытов по интерференции и дифракции света, применяют в самодельных охранных устройствах и линиях оптической связи... Или просто играют с кошкой, которая азартно ловит световой зайчик. Но обязательно нужно помнить, что это все- таки не игрушка. Лазерный луч ни в коем случае нельзя направлять в глаза — можно сильно испортить зрение.

Приложение

Таблица 1. Обычные источники излучения

Тип/принцип	Специальные источники света	Характеристика излучающей среды
Лампы со сгоранием топлива / Химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в горелке в свет (ударное возбуждение)	Свеча Свеча Гефнера Ацетиленовая Лампа Лампа на нефтяном светильном газе Керосиновая лампа Лампа на пропане, Газовая лампа	Тепловой излучатель-углеводород Тепловой излучатель-амилацетат Тепловой излучатель – ацетилен Тепловой излучатель - минеральное масло Тепловой излучатель –керосин Тепловой излучатель – пропан Тепловой излучатель – городской газ
Электрические лампы / Электрическая энергия преобразуется в свет	Лампы накаливания Газоразрядные лампы: Угольная дуговая лампа Лампа тлеющего разряда Газоразрядная лампа, наполненная инертным газом Лампа с разрядом в парах металлов Газосветные лампы Люминесцентная лампа Комбинированная лампа смешанного цвета	Тепловые излучатели – металлы оксиды Селективный излучатель – воздух Селективные излучатели – He, Ne Селективные излучатели –Xe, Kr Селективные излучатели – Hg, Na Селективные излучатели – N, CO2, Ne, He, Hg Селективные излучатели – люминофоры Тепловое и селективное излучение (объединенные лампы накаливания и газоразрядной лампы)

Таблица 2. Источники лазерного излучения

Тип/принцип действия	Специальные лазеры	Активная среда
Твердотельные лазеры Создание инверсной заселен­ности путем облучения элект­ромагнитным излучением (оп­тическая накачка) и тем са­мым возбуждение специальных ионов в кристаллах и стеклах	Рубиновый лазер лазер на стекле с неодимом	Сг3+ Nd3+
Газовые лазеры Создание инверсной заселен­ности путем ударного возбуж­дения атомов и молекул в га­зовом разряде	He-Ne – лазер Аргоновый лазер СO2 – лазер Не-Cd – лазер	Ne Аг+ СО2 Cd+
Полу проводниковые лазеры Создание инверсной заселен­ности за счет протекания тока в р-n-переходе	GaAs-лазер In As-лазер InP-лазер РЬТе-лазер	Полупроводни­ковые кристал­лы, легирован­ные Zn, Те и другими эле­ментами
Лазеры на красителях Создание инверсной заселен­ности оптической накачкой кра­сителе й	Непрерывный лазер на красите­ле Лазер на краси­теле с ламповой накачкой Наносекундный лазер на красителе	Органические красители
Лазеры на свободных элект­ронах Преимущественно вынужден­ное излучение отклоненного электронного пучка благодаря определенным фазовым соотно­шениям между электронами и полем излучения	-	Пучок релятивистских электронов

Таблица 3. Материалы полупроводниковых лазеров и их длины волн генерации (х, у обозначают процентную долю элемента в твердых растворах)

Соединение	Основной материал	Длина волны генерации. мкм	Метод возбуждения
			оптический	электронный пучок	инжекция	электрический пробой
Бинарные Соединения AIIIBV	GaN GaAs GaSb InP InAs InSb	0.36 0,82—0,92 1,5-1.8 0,89-0,91 3,0-3,2 4,8-5,3	X X X X X X	X X X X	X X X X X	X X
Тройные соединения типа AIIIBV	GaxIn1 – xP GaxIn1 – xAs GaPxAs1 – x GaAsxSb1 – x AlxGa1 – xAs AlxGa1 – xSb InPxAs1 – x InAsxSb1 – x	0,56 – 0,9 0,9 - 3,2 0,63 – 0,9 0,9 - 1,8 0,62 - 0,9 1,1 - 1,8 0,9 - 3,2 3,1 - 5,3	X X X X	X X X X X	X X X X X X X X
Четверные соединения типа AIIIBV	AlxGa1-xPyAs1-y AlxGa1-xAsySb1-y InxGa1-xPyAs1-y	0,62—0,90 0,62-1,80 0,58-3,0			X X X
Бинарные соединения типа AIVBVI	PbS PbSe PbTe	4,3 8,5 6,5		X X X	X X X
Тройное соедине­ние типа AIVBVI	PbSxSe1-x	4,3-8,5	X	X	X
Тройные соедине­ния типа (АII, Aiv)Bvi	PbxCd1-xS PbxGe1-xTe PbxSn1-xSe PbxSn1-xTe	0,5-4,1 4,4-6,5 8-32 6,5-32	X	X X	X X X X
Бинарные соединения типа AIIBVI	ZnO ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe	0,37-0,38 0,32-0,33 0,46 0,53 0,49-0,53 0,69 0,78-0,79	X X X X	X X X X X X X		X X X
Тройные соединения типа AIIBVI	ZnxCd1-xS CdSxSe1-x CdxHg1-xTe	0,33-0,49 0,5-0,69 0,50-4,1	X X X	X		X
AVI	Те	3,7		X
AIIIBVI	GaSe InSe	0.59-0.60 0,97	X	X X
AIII(2)BVI	In2Se	1,6		X
AII(2)BV(3)	Cd2P3	2,12	X
AIIBIVCV(2)	CdSiAs2 CdSnP2	0,77 1,01		X X
AIBIIICVI(2)	AgGaS2 CuGaS2 AgGaSe3 CuInS2	0,462 0,50 0,698 0,817	X X X X

Таблица 4.Пороговые плотности тока для инжекционных лазеров

Структура	Полупроводниковый материал	Длина волны мкм	Темпера­тура, K	Пороговая плотность тока, кА/см2	Примечания
Гомоструктура	GaAs GaAs GaAs (In, Ga) As InP (In, Ga) P GaSb InSb In (As, Sb) PbS PbS PbSe PbSe PbSe PbTe Pb(S, Se) Pb(S, Se) (Pb, Cd)S (Pb, Ge)Te (Pb, Sn)Se	0,840 0,870 0,910 1,085 0,907 0,610 1,550 5,300 3,170 4,325 3,960 8,500 6,900 7,220 6,500 4,740 4,740 3,500 5,500 18,00	4,2 77 300 77 77 77 77 4.2 77 4,2 77 4,2 77 77 4.2 77 4,2 4,2 4,2 78	0,03 0,12 20—40 1,9 0,75 5,9 2-3 3—4 0,8 0,3 2 1-2 4—6 4 0.5-2 6 0,03 0,185 0,1 3-10	cw cw cw cw cw cw cw cw cw cw
ОГС	GaAs	0,900	300	6-8
ДГС	GaAs (AI, Ga)As (AL Ga)As (Ga, In) (As, P) (Ga, In) (As, P) (AI, Ga) (As, Sb) (AI, Ga) (As, Sb) (In, Ga)(As, Sb) (In, Ga) (As, Sb)	0,890 0,850 0,785 1,30 1,55 1,77 1,67 1,90 1.90	300 300 300 300 З00 300 300 90 180	0.7 1-2 0,5 1.2 1,6 3,9 0,9 10	cw cw cw cw cw cw

Примечание. cw —непрерывный режим. ОГС — односторонняя гетеро- структура, ДГС — двусторонняя гетероструктура.

Таблица 5. Сравнение характерных признаков структур GGL (gajn- guided laser diode) и IGL (index-guided laser diode) на примере системы

AlGaAs/GaAs

GGL		IGL
Образование волновода параллельно активному слою	Боковое распределение но­сителей зарядов (обра­зует профиль усиления), например оксидный полосковый лазер	Встроенный скачок показателя преломления, например BHS-лазер
Ватт-ампер­ная харак­теристика
Дальнее поле Боковое вертикальное:
Спектр (непрерыв­ный режим)
Пороговый ток (длина резонатора L=200:400мкм)	50—120 мА	10— 160мА
Астигматизм	Сильно выражен	Очень мал
Чувствитель­ность отно­сительно» оптической обратной связи	Незначительная	Сильная

Таблица 6. Типичные параметры лазерных диодов на простой гетероструктуре на основе AlGaAs/GaAs

Параметр	Значение
Длительность импульса т, нс Коэффициент заполнения (периода импульса), % Длина волны λ нм: Выходная мощность Р, Вт Рабочий ток (максимальный) IFM, А Пороговый ток /s, А Напряжение Vfm, В Излучаюшая поверхность, мкм: длина ширина Спектральная ширина полосы ∆λ, нм	200 0,01 905 3-12 20-60 6-18 11-16 120-350 2 4,5
Типичные параметры многокристального устройства (блок из двух-трех кристаллов)
Выходная мощность Р, Вт Рабочий ток (максимальный) IFM, А Пороговый ток /s, А Напряжение Vfm, В Излучаюшая поверхность, мкм: длина ширина Спектральная ширина полосы ∆λ, нм	17-33 40-60 12-18 16-26 230-350 120-230 10

Таблица 7. Характеристики инжекционных лазеров

Структура	Режим работы	Излучаемая мощность, мВт	КПД, %	Примечание
DHS (ДГС) SHS (ОГС) LOC-DHS (LOC-ДГС)	Непрерывный Импульсный	<<10 ≈103 ≈103	<<1 ≈10 <<20	T=300K возбуждает основной тип колебаний Т=300K, частота повторения импульсов несколько килогерц, длительность импульса около 1мкс. Т=300К, длительность импульса около 1 мкс, частота повторения импульсов несколько килогерц