книги из ГПНТБ / Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике

Первый ПКГ с электронным возбуждением на суль­ фиде кадмия CdS работал только при гелиевых темпера­ турах (рис. 5). Длительность импульсов электронного пучка доводилась до 2 мксек, чтобы снизить нагрев кри­ сталла в течение импульса накачки. Сейчас уже имеются ПКГ с электронным возбуждением, работающие при комнатной температуре не только в вакууме, но и на воз­ духе при атмосферном давлении.

С помощью полупроводниковых лазеров, возбуждае­ мых быстрыми электронами, перекрывается очень широ­ кий диапазон длин волн — от инфракрасной области до ультрафиолетовой (табл. 2). Направленность и монохро­ матичность их излучения удается повысить, используя в качестве одного из зеркал резонатора внешнее зеркало, удаленное от кристалла. Роль другого зеркала выполня­ ет сам излучающий полупроводниковый кристалл, при этом линейные размеры кристалла во много раз могут превышать его толщину. Лазеры с такой структурой по­ лучили название лазеров типа «излучающее зеркало» (рис. 6). Чтобы с «зеркала» снять мощность около 100 кет, надо применять специальные меры для подавле­ ния света, распространяющегося вдоль полупроводнико­ вой пластины. Один из путей — использование многоэле-

Рпс. 6. Полупроводниковый лазер типа «излучающее зеркало»: 1 — пучок быстрых электронов; 2 — полупроводниковая пластина; 3 — полупрозрачное зеркало; 4 — генерируемое излучение

20

ментных структур. Электронный пучок легко сканируется по элементам «зеркала», что открывает большие возмож­ ности применения таких ПКГ.

Оптическая накачка полупрозсдников

Как и возбуждение электронным пучком, оптический способ накачки удобен для исследования природы лазер­ ных переходов и выяснения возможности получения гене­ рации излучения в новых полупроводниковых материа­ лах. Однако при оптической накачке для каждого полу­ проводника необходимо подбирать свою длину волны возбуждающего света. Поглощение полупроводника сильно возрастает с увеличением энергии светового кван­ та выше ширины запрещенной зоны. Поэтому в случае, когда энергия возбуждающих квантов заметно отличает­ ся от ширины запрещенной зоны, активная среда с ин­ версной заселенностью образуется лишь в узком слое толщиной в несколько микрон вблизи границы образца (рис. 7). В качестве источника возбуждения полупровод­ ников можно использовать излучение оптических кван­ товых генераторов других типов.

Этим методом в СССР в 1965 году была получена генерация на чистых кристаллах GaAs. Источником на­ качки служил рубиновый лазер с модулированной доб­ ротностью. Для того чтобы приблизить энергию возбуж­ дающих квантов к ширине запрещенной зоны полупро­ водника, монохроматическое излучение рубинового лазера пропускалось через жидкий азот. В результате вынужденного комбинационного рассеяния частота света уменьшалась. Для ПКГ удалось получить значительную выходную мощность — более 100 кет в импульсе.

Полупроводниковые лазеры с монохроматической оп­ тической накачкой могут иметь к.п.д. около 50% в слу­ чае, если частота возбуждающего света близка к часто­ те генерации полупроводника. С помощью постоянно

21

Рис. 7. Схема ПКГ с оптической накачкой: 1 — хладопровод; 2 — кристалл; 3 — генерируемое излучение; 4 — излучение накачки

действующих источников излучения осуществляется не­ прерывный режим работы ПКГ с оптическим возбужде­ нием.

Кроме однофотонного метода накачки применяют также двухфотонное возбуждение. В этом случае энергия возбуждающих квантов меньше ширины запрещенной зоны. Но при большой интенсивности света такие кванты поглощаются в объеме полупроводника парами, что эквивалетно поглощению одного кванта с энергией, рав­ ной сумме энергий двух падающих квантов. При этом возбуждается довольно толстый слой кристалла (до 1 мм). Однако по сравнению с однофотонным возбужде­ нием при двухфотонной накачке требуются гораздо более высокие интенсивности света для получения генерации. Например, для арсенида галлия пороговая интенсивность при двухфотонной накачке излучением лазера на неоди­ мовом стекле составляет около 16 Мет/см2, что на поря­ док превышает пороги при однофотонном возбуждении.

ПКГ с лавинным пробоем

Сообщение о получении генерации когерентного излу­ чения при лавинной инжекции носителей тока в моно­ кристалле GaAs появилось в 1965 году. Образец состоял

:2

из трех слоев толщиной около 20 мкм, как показано на рис. 8. Средний слой обладал повышенным удельным со­ противлением и был окружен материалом с проводи­ мостью /?-типа. При приложении к образцу электрическо­ го напряжения свыше 10 в в области с повышенным сопротивлением развивался лавинный разряд, в результа­ те ударной ионизации происходило возбуждение валент­ ных электронов. При длительности импульсов накачки 100 нсек вблизи границы раздела двух слоев кристалла возникала инверсная заселенность. Лазерный эффект на­ блюдался при температурах не выше 77 °К.

Явление лавинного пробоя может быть использовано для возбуждения полупроводниковых кристаллов, в ко­ торых невозможно создать р—«-переход. Однако, хотя структуры с лавинным пробоем не теряют компактности и механической прочности, свойственных инжекционным лазерам на р—«-переходе, они не получили широкого распространения. Это связано в основном с трудностями их изготовления и необходимостью подбора специальных условий работы (низкие температуры, короткие импуль­ сы тока).

Рис. 8. Лазерная структура с лавинным пробоем: 1 — слой кристал­ ла с повышенным электрическим сопротивлением; 2 — слой полупро­ водника р-типа

23

24

Продолжение т абл.2

25

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

Наземная и космическая связь

Использование оптических квантовых генераторов открывает новые перспективы в области связи. Лазерное излучение дает возможность передавать с высокой на­ правленностью большое количество информации. Это обусловлено высокой частотой монохроматических све­ товых колебаний и связанной с ней широкополосностыо. Уникальная широкополосность оптического диапазона разрешает традиционную проблему тесноты в эфире. В интервале длин волн от 0,4 до 0,8 мкм можно разме­ стить в принципе около 108 телевизионных каналов, что на несколько'порядков превышает современные потреб­

ности.

Для связи наиболее предпочтительны лазеры, способ­ ные работать в непрерывном режиме. Г1КГ с выходной мощностью в несколько долей ватта в непрерывном ре­ жиме могут использоваться не только в космических, но и в наземных линиях связи, где большое значение имеют малые размеры, вес, надежность работы, экономичность питания аппаратуры. Применение инжекционных лазе­ ров выгодно вследствие простоты технической реализа­ ции амплитудной модуляции излучения. В импульсном режиме генерации применяются такие эффективные ви­ ды модуляции, как импульсно-кодовая, импульсно-фазо­

27

вая, а также частотно-импульсная, при которой изменя­ ется частота повторения импульсов. Для получения боль­ шого числа каналов связи требуется высокая частота повторения. По-видимому, ни твердотельные, ни газовые лазеры при внутренней модуляции не могут обеспечить таких частот повторения. В настоящее время наиболее удобны для этих целей инжекционные лазеры.

Возможность осуществления надежной оптической связи с помощью ПКГ подтверждается многочисленны­ ми лабораторными экспериментами и наблюдениями в полевых условиях по передаче речи и видеосигналов. В конце 1962 года сотрудники лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института (США) впервые провели эксперимент по передаче информации при помощи GaAs лазера. Диод находился в фокальной плоскости дециметрового зеркального телескопа, кото­ рый концентрировал лазерное излучение в пучок с углом расходимости около 0,1°. Мощность излучения охлаж­ даемого диода составляла 5 мет. В качестве приемника использовался фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), который помещался в фокусе обычного прожектора диаметром 1,5 м. Передача осуществлялась на расстоя­ ние 55 км между вершиной горы Вачусетт и лаборатори­ ей. Качество оптической телефонной связи при ослабле­ нии излучения атмосферой более чем в три раза было очень высокое.

Фирма «Дженерал электрик» (США) продемонстри­ ровала возможность четкой передачи телевизионного сигнала с шириной полосы до 12 Мгц, используя излуче­ ние неохлаждаемого лазерного диода на арсениде гал­ лия. При благоприятных метеорологических условиях дальность действия разработанной системы превышает

16 км.

Экспериментальная система телефонной связи была разработана американской фирмой «Ай-би-эм». Система работает с частотно-импульсной модуляцией и обеспечи­

28

вает один телефонный канал с полосой пропускания 4 кгц. Передатчик на GaAs лазере излучает импульсы мощностью 0,2 вт при средней частоте повторения 12 кгц. Оптический приемник состоит из небольшого телескопи­ ческого объектива диаметром 4 см с регулируемым по­ лем зрения и фотодетектора. Дальность действия систе­ мы без применения оптики для формирования луча со­ ставляет около 1,6 км. Если диаграмму направленности

най-7». Испытания показали, что основная трудность при осуществлении связи заключается в наводке лазерного передатчика на наземную станцию.

Дальность оптической связи сильно зависит от со­ стояния атмосферы, прозрачность которой очень низка при неблагоприятных метеорологических условиях (ту­ ман, дождь, снег, пыль, дым и т. п.). Многие ограничения дальности связи снимаются при переходе из атмосферы Земли в космическое пространство. Однако в космосе возникают дополнительные трудности, связанные с об­ наружением корреспондента, обеспечением строгой на­ правленности линии связи, устранением шумовых помех от космических объектов. Например, при увеличении по­ лосы пропускания фотоприемного устройства до 1 Мги

Как показали опыты, инжекционные лазеры пригодны

29