Перший напівпровідниковий лазер був випущений в 1961–1962 році на арсеніді галію.

Напівпровідникові лазери

Загальні характеристики активного середовища

1.Напівпровідниковий квантовий генератор є лазером з напівпровідниковим кристалом в якості робочої речовини.

2.У напівпровідниковому лазері використовуються випромінювальні квантові переходи не між ізольованими рівнями енергії атомів, молекул та іонів, а між дозволеними енергетичними зонами кристала.

3.У напівпровідниковому лазері збуджуються і випромінюють (колективно) атоми, що складають кристалічну решітку.

4.Активне середовище напівпровідникового лазера має малі розміри та є компактним (об єм кристала ~ 10-6–10-2см3).

5.У напівпровідниковому лазері вдається отримати показник оптичного посилення до 104 см-1, хоча зазвичай для збудження генерації лазера достатні і менші значення.

Загальні характеристики напівпровідникових оптичних квантових генераторів: Напівпровідникові лазери

-компактність, обумовлена коефіцієнтом підсилення;

-високий ККД через ефективного перетворення енергії, що підводиться в лазерне випромінювання при накачуванні електричним струмом (до 80%);

-широкий діапазон довжин хвиль генерації в результаті можливості вибору напівпровідникового матеріалу з шириною забороненої зони;

-плавна перебудова довжини хвилі випромінювання, що обумовлено залежністю спектрально-оптичних властивостей напівпровідників і, перш за все, ширини забороненої зони від температури, тиску, магнітного поля і т. д. ;

-мала інерційність, завдяки малому часу релаксації і практично безінерційність створення нерівноважних електронів і дірок при накачуванні електричним струмом;

-простота конструкції, що обумовлено можливістю накачування постійним струмом що сприяє сумісності напівпровідникових лазерів з інтегральними схемами напівпровідникової електроніки, пристроями електронної оптики і волоконних оптичних ліній зв’язку.

Переваги напівпровідникових лазерів відкривають широкі перспективи їх застосування в промисловості і в наукових дослідженнях. Завдяки малим розмірам і можливості високочастотної модуляції випромінюваної потужності напівпровідниковий лазер являє собою один з перспективних джерел випромінювання для волоконно- оптичних систем зв'язку.

У наукових дослідженнях лазери використовуються в молекулярній та атомної спектроскопії, газової спектроскопії і для контролю забруднення атмосфери.

До недоліків напівпровідникових лазерів можна віднести:

•малі потужності та енергії вихідного випромінювання;

•малі розміри активного елементу і безпосередньо активної області;

•наявність катастрофічної оптичної деградації дзеркал;

•збільшення робочої температури лазерного кристалу в порівнянні з температурою тепловідводу при проходженні струму;

•чутливість до перевантажень і до перегріву;

•незворотне руйнування при нагріві понад деякої характерною для кожного типу лазера температури;

•багатомодовий склад випромінювання;

•великий кут розходження та асиметричність лазерного пучка;

•сильна залежність довжини хвилі від температури активного шару;

•неможливість генерації нано- і субнаносекундних імпульсів;

•незадовільна часова стабільність.

випромінювання є причиною декількох факторів:

Перший це малі розміри активного елементу і безпосередньо активної області.

Другий фактор це наявність катастрофічної оптичної деградації дзеркал при проходженні через вихідне дзеркало випромінювання.

Останні показники максимальної густині потужності приймають значення 29 -- 40 МВт/см2 .

Третій фактор -- збільшення робочої температури лазерного кристалу в порівнянні з температурою тепловідводу при проходженні струму, що призводить до зниження загальної диференційної ефективності та прискоренню деградації лазера.

підвищення порога катострофічної оптичної деградації дзеркал та оптимізації параметрів структури кристалів:

-досягнення 100% внутрішнього квантового виходу;

-низьких оптичних втрат;

-низького послідовного опору та напруги відсічки, яка відповідає

ширині забороненої зони активної області.

Покращення якості лазерного випромінювання має досягатись

енергетичних спектрів ізольованих атомів та молекул та збільшенням концентрації цих локалізованих центрів на поверхні і в об'ємі. Це реалізується використанням технологій створення лазерних кристалів на основі квантових ям, квантових дротів (ниток) та квантових точок (скриньок).

Пороговий (граничний) струм Напівпровідникові лазери Пороговим називається мінімальний струм Inop, при якому підсилення

випромінювання за рахунок вимушених переходів переважає втрати в кристалі напівпровідника. Виходячи з порогових або амплітудних умов виникнення генерації, порогова густина струму для гетероструктур

де A0 -- коефіцієнт пропорційності між коефіцієнтом підсилення 0 та концентрацією нерівноважних носіїв заряду; d -- товщина активного шару; -- коефіцієнт утримання світла в активному шарі або параметр оптичного обмеження.

Формула є адекватною при , в протилежному випадку хвиля буде виходити за межи активного шару, що приведе до необхідності збільшення порогового струму. Тому користуються і поняттям номінальної порогової густини струму Jnop/d.

залежності потужності вимушеного випромінювання від струму накачування (б) та наближені залежності Jnop від температури структури (в).

Перехід від спонтанної емісії до лазерного випромінювання відбувається різко, після того, як струм перевищить граничне значення. При цьому спостерігається різкий злам на кривій залежності потужності оптичного випромінювання від струму накачування (рис. б), який є результатом різкого збільшення квантового виходу в лазерному процесі.

За способом створення інверсної населеності напівпровідникові лазери можна розбити на чотири основні групи:

•лазери на р-n переході (інжекційні);

•лазери зі збудженням високоенергетичним електронним потоком;

•лазери з оптичним накачуванням;

•лазери на лавинному пробої.