Полупроводниковые лазеры

В полупроводниковых лазерах, в отличие от других лазеров, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами. В полупроводниковых лазерах возбуждаются и излучаются (коллективно) атомы, составляющие кристаллическую решетку. Это отличие определяет важное обстоятельство полупроводниковых лазеров — их малые размеры и компактность (объем кристалла ~ 10^–6 — 10^–2 см³). Коэффициент оптического усиления достигает величины 10⁴ см^–1, что значительно больше, чем у гелий-неонового и рубинового лазеров. Коэффициентом оптического усиления называют отношение потока энергии излучения (мощности излучения), увеличенного активной средой, к потоку энергии, проходящей через среду.

Другими, практически важными их особенностями являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30 — 50 %); малая инерциальность, что обеспечивает широкую полосу частот прямой модуляции; возможность перестроения длин волн излучения и наличие большого количества полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 320 до 3200 нм.

При рекомбинации электронов и дырок у полупроводников освобождается энергия, которая может излучаться (люминесценция) или передаваться колебаниям кристаллической решетки, а значит переходить в теплоту. Доля излучаемой энергии у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако у некоторых полупроводников (GeAs, CdS) при очистке и легировании она может достигнуть 100 %. Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-то способ возбуждения (накачки) кристалла, чтобы получить лишние электронно-дырочные пары (светом, быстрыми электронами, электрическим полем). При малой скорости возникновения электронно-дырочных пар рекомбинация лишних электронно-дырочных пар носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (светоизлучательные диоды).

Чтобы получить когерентное излучение (лазерный эффект) необходимо создать в кристалле особенное состояние — состояние с инверсной населенностью.

Оптическое квантовое усиление в полупроводниках может наблюдаться в том случае, когда зона проводимости возле ее дна заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона на ее верхних уровнях. Для поддержания такого состояния необходимо, чтобы была высокая скорость накачки.

Рис. 8.7. Схема строения полупроводникового лазера

В полупроводниковых лазерах применяют следующие методы накачки:

1) инжекция носителей тока через р — n-переход (инжекционные лазеры);

2) накачка пучком быстрых электронов;

3) оптическая накачка;

4) накачка методом пробоя в электрическом поле.

В данной работе используется инжекционный лазер. Он представляет собой арсенид-галиевый (GaAs) лазерный диод 32ДЛ-101Г. Схема строения такого лазера показана на рисунке 8.7.

Для получения генерации две противоположные поверхности полупроводника полируют и делают плоскопараллельными, две остальные — остаются грубо обработанными, чтобы не возникла генерация в нежелательном направлении. На полированные поверхности отражающие покрытия не наносятся, потому что показатель преломления полупроводника достаточно большой и поэтому от полированных поверхностей отражается около 30 — 40 % излучения, что достаточно для получения эффекта усиления света.

Лазерный диод 32ДЛ-101Г работает в импульсном режиме при комнатной температуре и дает излучение в инфракрасном диапазоне с длиной волны 840 нм. Ток накачки диода — 0,3 А. Средняя мощность импульса лазерного излучения — 0,01 Вт. Питание диода осуществляется от генератора импульсов с частотой следования 10 МГц. Длительность импульса тока накачки — 2·10^–3 с. Охлаждение диода обеспечивается установкой его на радиаторе.

Для визуализации инфракрасного излучения лазера используется однокамерный электронно-оптический преобразователь (ЭОП). В основе действия ЭОП лежит преобразование оптического (инфракрасного, ультрафиолетового) или рентгеновского изображения в электронное, осуществляемое с помощью фотокатода, и затем электронного изображения в световое, которое получается на катодолюминесцентном экране. Структурная схема ЭОП показана на рисунке 8.8.

Излучение от объектива вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности фотокатода. При этом величина эмиссии различных фотокатодов изменяется соответственно распределению яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем между катодом и экраном, фокусируются с помощью электрического поля, бомбардируют экран и вызывают его люминесценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, в результате на экране возникает видимое изображение объекта.

Питание ЭОП осуществляется от высоковольтного выпрямителя. Блок-схема установки показана на рисунке 8.9.

В данной работе исследуется угловое распределение излучения полупроводникового лазера. Для этого генератор импульсов тока и закрепленный на его вертикальной стенке излучающий диод устанавливается на держателе, который обеспечивает поворот оси лазера в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Ограничение ширины пучка инфракрасного излучения осуществляется размещением перед фотокатодом ЭОП щели. Если перед фотокатодом вместо щели поместить слайд, то можно наблюдать видимое изображение, которое построено инфракрасными лучами.