Відмінні особливості напівпровідникових лазерів

Основна відмінність напівпровідникових квантових генераторів від твердотільних і газових ОКГ полягає у механізмі виникнення випромінювання. Якщо в іонних ОКГ генерація вимушеного випромінювання відбувається в результаті оптичних переходів між енергетичними рівнями у спектрі окремих іонів, які утворюють три- і чотирирівневу систему, то в напівпровідникових головну роль відіграють переходи між зоною провідності і валентною зоною або між дозволеними зонами і рівнями, утвореними домішками в забороненій зоні напівпровідника. Таким чином, активною речовиною є сама кристалічна матриця, а домішки служать джерелами носіїв зарядів: електронів і дірок, при рекомбінації яких виникають фотони.

Велика імовірність випромінюваних переходів в прямозонних напівпровідниках і велика густина станів в дозволених зонах дозволяють отримувати виключно високі значення коефіцієнтів підсилення, що перевищують у деяких випадках 10⁴ см^-1.

Важлива відмінність напівпровідникових лазерів від інших лазерів на конденсованих середовищах – це електропровідність напівпровідників, яка дозволяє здійснювати їх накачку електричним струмом і тим самим безпосередньо перетворювати електричну енергію в лазерне випромінювання. Цим самим забезпечується високий ККД напівпровідникових лазерів, який для інжекційних лазерів на арсеніді галію досягає більше 46 %, тоді як ефективність перетворення енергії для лазерів газових і твердотільних – не вище 3 % (у неперервному режимі). Проте, за рівнем вихідної потужності напівпровідникові інжекційні лазери поки відстають від твердотільних, які в імпульсному режимі розвивають мегаватні потужності.

Цінною властивістю напівпровідникових лазерів є можливість прямої модуляції когерентного випромінювання шляхом зміни величини струму збудження, що проходить через р-n-перехід. Внаслідок того, що у режимі генерації часи існування носіїв дуже малі (~ 10^-11 с) частота такої модуляції є досить високою, і досягає 10¹¹ Гц.

З практичної точки зору до числа істотних переваг напівпровідникових лазерів слід віднести:

1. Компактність та малі розміри, що зумовлено гігантським коефіцієнтом підсилення в напівпровідниках.

2. Широкий спектральний діапазон довжин хвиль генерацій від 0,4 до 30 мкм, зумовлений можливістю вибору напівпровідникового матеріала з відповідною шириною забороненої зони.

3. Плавна перебудова довжини хвилі випромінювання зумовлена залежністю спектрально-оптичних властивостей напівпровідників і перш за все ширини забороненої зони від хімічного складу твердого розчину, температури, тиску, магнітного поля і т.д.

4. Простота конструкції, зумовлена можливістю накачування постійним струмом, яка забезпечує сумісність напівпровідникових лазерів з інтегральними схемами напівпровідникової електроніки, пристроями інтегральної оптики і волоконо-оптичних ліній зв’язку.

Недоліками напівпровідникових лазерів, як це часто буває, є продовження їх переваг. Малі розміри приводять до низьких значень вихідної потужності або енергії. Крім того, напівпровідникові лазери, як і всі прилади напівпровідникової електроніки, чутливі до перенавантажень (руйнуються при потоках оптичного випромінювання в декілька мегават на квадратний сантиметр) і до перегріву, який призводить до різкого підвищення порогу самозбудження і навіть до незворотного руйнування при нагріванні вище деякої характерної для кожного типу лазера температури.