книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

та, имеющего лучшую теплопроводность, обычно изготавливаются в виде ци­ линдрических стержней диаметром до 10 мм и длиной до 10 см. Кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната могут быть получены большего разме­ ра и с большим содержанием ионов Nd3+ Лазерные кристаллы срезают под углом Брюстера, получая линейно-поляризованное излучение.

Таким образом, удается генерировать несколько сотен ватт и даже киловатт в непрерывном режиме с КПД более 10% при использовании полупроводнико­ вой накачки.

Лазер может быть выполнен в едином блоке с нелинейным элементом-пре­ образователем частоты (на основе синтетических кристаллов ниобата лития или бария) для генерации второй и высших гармоник с длинами волн 0,53, 0,35 и 0,265 мкм при выходной мощности от нескольких милливатт до единиц ватта.

Для работы в импульсном режиме обычно используют внешнюю модуляцию интенсивности с помощью оптического затвора, например, на основе линейного электрооптического эффекта Поккельса. При модуляции добротности достига­ ется уровень импульсной мощности до 1012 Вт при длительности импульса 10-г20 нс (504-100 нс — для стекла). При выполнении условий синхронизации мод могут генерироваться сверхкороткие импульсы длительностью 10-12 с и менее.

Неодимовые лазеры нашли широкое применение в дальнометрии (в мало­ габаритных приборах используются импульсные лазеры с энергией 1 мДж при длительности 10 нс) и в оборонной технике.

Одно из последних технических достижений — создание твердотельных оптических усилителей и лазеров на активных оптических волокнах, легиро­ ванных ионами редкоземельных элементов. Усилители настраивают на длины волн, соответствующие минимальным потерям в волокне (1,55 и 1,31 мкм), используя ионы-активаторы эрбий (Ег3+) и празеодим (Рг3+). В качестве ис­ точников накачки применяют мощные полупроводниковые лазерные диоды или линейки из лазеров, спектр излучения которых соответствует спектру погло­ щения активных ионов. В частности, для накачки малошумящих оптических предусилителей на Ег3+ волокне использовано излучение с длиной волны 0,98 мкм, а для усилителя мощности — более эффективное излучение с длиной волны 1,48 мкм.

Оптическая накачка через боковые поверхности активного волокна оказы­ вается неэффективной. Поэтому ввод излучения осуществляют методами ин­ тегральной оптики (например, с помощью призменного устройства, использую­ щего эффект туннелирования излучения при полном внутреннем отражении). Ввод сигнального излучения и вывод усиленного сигнала производится через оптические разъемы.

Оптические усилители не требуют преобразования оптического сигнала в электрический и обратно и разрыва волоконно-оптической линии и применяют­

122 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2

ся как в линиях связи, работающих на дальние расстояния, так и для усиления сигнала перед его разветвлением по многим абонентам.

На активных оптических волокнах изготавливают и волоконные лазеры со средней мощностью от нескольких милливатт до единиц ватт и более.

Кроме твердотельных лазеров на основе кристаллов и стекол, легирован­ ных неодимом, в этом разделе следует упомянуть трехуровневый рубиновый лазер с накачкой ксеноновой лампой, генерирующий в красной области спектра на длине волны 694,3 нм со съемом энергии ~ 0,2 Дж/см3; перестраиваемые лазеры на активаторах с незастроенными внутренними Ы и 4d оболочками (лазер на александрите с Сг3+ для области 0,724-0,82 мкм; лазер на сапфире с Ti3+, перекрывающий диапазон 0,7-г0,98 мкм и др.) или на центрах окрас­ ки в щелочно-галоидных кристаллах (перекрываемый диапазон 0,8 4-2,2 мкм) и, наконец, жидкостные лазеры на органических красителях с диапазоном перестройки 0,344-1,17 мкм, пока не нашедшие широкого применения.

Правомерность объединения твердотельных и жидкостных лазеров в одной группе обусловлена слабой зависимостью свойств редкоземельных активаторов от свойств матрицы. Тем более, что стекло можно рассматривать как переохла­ жденную жидкость.

2.5.3.3. Полупроводниковые лазеры. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителей заряда в полупроводник через р-л-переход при его прямом смещении. Отличительная особенность полупроводников заключается в том, что это возбуждение не отно­ сится к определенным узлам кристаллической решетки как активным центрам, а определяется состояниями обобщенных по всему кристаллу электронов. При этом условие инверсии населенности задается соотношением

<§Fn - <§FP > <§g,

где <gg — ширина запрещенной зоны полупроводника, <Врп и <gpp — квазиуровни Ферми для электронов и дырок (см. гл. 3).

Внешним электрическим полем можно почти полностью убрать потенциаль­ ный барьер между р- и л-областями в гомопереходах. При этом концентрация инжектированных неосновных носителей заряда почти сравнивается с концен­ трацией их в эмиттере, где они являются основными. Поэтому для получения инверсии вблизи р-л-перехода при его прямом смещении необходимо, чтобы хотя бы одна из его областей была вырожденной.

Наконец, для уменьшения потерь на безизлучательную рекомбинацию ла­ зеры изготавливают на основе прямозонных полупроводниковых материалов, например, соединений типа А3В5.

Простейший полупроводниковый лазер представляет собой р-л-переход, у которого хотя бы одна из областей вырождена, а сам переход сформирован в плоскости, перпендикулярной плоскостям скола кристалла. При высоких зна­ чениях коэффициента усиления с единицы длины (до нескольких сотен см- 1 в

GaAs) 30-40% отражение на сколотых боковых гранях обеспечивает необходи­ мую положительную обратную связь.

Полупроводниковые лазеры, полученные диффузией Zn в GaAs, имеют плотность пороговых токов при комнатной температуре более 50 кА/см2

Однако за последние несколько десятилетий полупроводниковые лазеры кардинально усовершенствовались, прежде всего за счет использования эпи­ таксиальных методов и гетеропереходов с минимальным числом дефектов, при­ водящих к безызлучательным переходам.

Лазеры с двойной гетероструктурой. Активная область представляет собой тонкий слой (не более А/п) узкозонного полупроводникового матери­ ала, расположенного между широкозонными р- и я-областями-эмиттерами.

зонный активный слой с большим показателем преломления ведет себя как волновод, локализуя излу­

чение, распространяющееся в плоскости р-я-перехода.

Лазеры на двойных гетероструктурах из Ga0,4lno,6Aso,88Po,i2/InP на длину волны 1,3 мкм и Alo^Gao^As/GaAs на длину волны 0,84 мкм характеризуются пороговыми плотностями тока порядка 1ч-3 кА/см2

Приоритет в разработке лазеров с двойной гетероструктурой принадлежит лауреату Нобелевской премии академику Ж. И. Алферову с сотрудниками.

Гетеролазеры с полосковой структурой, предназначены для дальнейше­ го уменьшения порогового тока и эффективной селекции мод в направлении, параллельном р-я-переходу (см. рис. 2.5.3). Такие лазеры, как правило, созда­ ются вытравливанием мезаструктуры, перпендикулярной резонаторным граням, и ее последующим заращиванием широкозонным не проводящим ток твердым раствором (AlGaAs, легированный Те — на рис. 2.5.3). Таким образом обеспе­ чивается электронное и оптическое ограничение по обеим координатам.

Гетеролазеры с распределенной обратной связью. Гетерограница между активной областью (например GaAs) и одним из инжекторов (AlGaAs) делается гофрированной, причем гофр (отражатели Брегга) располагается перпендику­ лярно полосковой структуре. Периодические изменения показателя преломле­

ния приводят к интерференции. Шаг гофрировки для решетки, работающей в первом порядке, равен А/2п, т.е. ~ 0,13 мкм для GaAs. Решетки с таким пе­ риодом создаются фотолитографическим методом при помощи интерференции лазерных пучков коротковолновых газовых лазеров.

С использованием гетеропереходов с распределенной обратной связью полу­ чила изящное решение проблема уменьшения расходимости светового пучка в плоскости, перпендикулярной р-л-переходу, улучшена температурная стабиль­ ность спектральных характеристик лазера и обеспечена возможность эффек­ тивного ввода излучения в оптические волноводы.

Гетеролазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением.

В лазерах с двойной гетероструктурой утоньшение активной области менее А/л, необходимое для дальнейшего снижения порогового и рабочего токов, не эффективно из-за просачивания излучения и его потерь в широкозонных обла­ стях эмиттеров. Проблема решается разделением областей оптического и элек­ тронного ограничения: внутри слоя оптического ограничения толщиной ~А /п помещается сверхтонкий слой с еще меньшей шириной запрещенной зоны, где и происходит вынужденная рекомбинация электронов и дырок (рис. 2.5.4). При этом слой оптического ограничения играет двойную роль: кроме оптического

Р и с . 2.5.4. Конструкция лазера с раздельным электронным и оптическим ограничением и распределенной обратной связью. Дифракционная решетка расположена в эпитаксиальном слое под активной областью

волновода он является резервуаром для неравновесных носителей, откуда они поступают в узкую область рекомбинации. Если слой оптического ограничения изготовить в виде варизонной структуры с уменьшающейся к области реком­ бинации шириной запрещенной зоны, то неравновесные электроны и дырки ускоряются к активной области встроенным электрическим полем.

Гетеролазеры с квантоворазмерными структурами. В современных ла­ зерах в качестве активной области, где происходит накопление и последующая излучательная рекомбинация неравновесных электронов и дырок, используют­ ся квантоворазмерные структуры: квантовые ямы и точки. Ступенчатый вид функции плотности состояний для двумерного электронного газа в квантовой яме уменьшает тепловое размытие в распределении носителей по энергиям и

2.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 125

облегчает достижение инверсии. Ослабевает температурная зависимость поро­ говой плотности тока и растет коэффициент усиления. Пороговая плотность тока накачки при комнатной температуре у лазеров с одной или несколькими квантовыми ямами составляет 100-г 300 А/см2 В еще большей степени пере­ численные преимущества проявляются для квантовых точек, где электронный спектр и функция плотности состояний имеют атомоподобный вид.

Для ускорения поступления носителей в рекомбинационную квантовую яму и устранения возможных деформаций и связанных с ними дефектов на резкой гетерогранице в активных областях гетеролазеров целесообразно использовать квантоворазмерные слои с внутренними напряжениями сжатия и растяжения. При толщинах таких слоев, меньших некоторой критической величины, дис­ локации несоответствия и другие дефекты не образуются как в самом слое, так и на гетерограницах. Использование напряженных слоев позволяет расши­ рить номенклатуру материалов (из-за смягчения требований к рассогласованию решеток), а также варьировать внутренние напряжения в слое и тем самым ме­ нять параметры зонной структуры полупроводника. В инфракрасных лазерах с такой структурой и размером активной области 5-г 20 нм пороговая плотность тока снижается до 40 А/см2

Наибольшая доля промышленного выпуска полупроводниковых ин­

(Ino,6Gao,7Aso,88Po,i2/InP). В основном изготавливаются двойные гетеролазеры с полосковой структурой и с раздельным электронным и оптическим ограниче­ нием.

Мощные полупроводниковые лазеры обеспечивают 0,2 -г0,5 Вт в одноча­ стотном непрерывном режиме, а в многомодовом — 54-10 Вт при КПД до 50ч-60%. Углы расхождения излучения в плоскости р-я-перехода 104-30°, в перпендикулярной плоскости 304-60° Предельные частоты модуляции излу­ чения — несколько гигагерц и более. Для генерации большей мощности в непрерывном режиме осуществляется термоэлектрическое охлаждение.

Кроме того, выпускаются лазерные модули, включающие до 10 мощных лазерных диодов, излучение которых вводится в общее волокно с диаметром сердцевины ~ 200 мкм. При термоэлектрическом охлаждении лазеров выход­ ная мощность излучения составляет 40 Вт в числовой апертуре 0,22 (опреде­ ление числовой апертуры — см. в разделе 2.8).

Другой вариант лазерной линейки создается методом интегральной техно­ логии на одном кристалле. Блок одинаковых полосковых структур шириной 1 см излучает в непрерывном режиме 50 Вт. Срок службы таких блоков 54-10 тыс. часов.

С 1999 г. рядом японских фирм начат промышленный выпуск «синих» ла­ зеров на основе Аз нитридов с гарантированным сроком службы более 10 тыс.

ющихся четвертьволновых слоев с разными показателями преломления. Из-за короткой области усиления для обеспечения устойчивой генерации в таких лазерах зеркала должны иметь высокий коэффициент отражения.

На рис. 2.5.6 приведена схема такого лазера. Активная область содержит вертикально-связанные квантовые точки на основе узкозонного InGaAs в мат-

Лазерное

излучение

Активная

область

Распределенное брэгговское зеркало

Диэлектрик

Металлический

контакт

Распределенное I брэгговское зеркало I

Подложка GaAs

Р и с . 2.5.6. Поверхностно-излучающий инжекционный микролазер с брегговскими зерка­ лами и активной областью, содержащей вертикально связанные квантовые точки

рице GaAs или GaAlAs эпитаксиального слоя. Для предотвращения генерации продольных мод рабочая поверхность ограничивается размерами в несколь­ ко микрон с помощью диэлектрических или высокоомных полупроводниковых слоев. Рабочий ток отдельного микролазера не превышает единиц миллиампера при пороговых токах в десятые и сотые доли миллиампера.

Лазеры с поверхностным выводом излучения обеспечивают малую расхо­ димость круглого в сечении луча и одномодовый режим работы, стыкуются с оптическим волокном с минимальными потерями и используются в линиях связи со скоростями до 100 Гбит/с и более.

Наконец, упомянем каскадные полупроводниковые лазеры для инфракрас­ ного диапазона спектра 3-ь-100 мкм, в которых используются внутризонные пе­ реходы между подзонами размерного квантования электронов в квантовой яме или электронными уровнями квантовой точки. В отличие от газовых лазеров, активные частицы в которых являются природными образованиями, параметры квантовых ям и точек определяются их структурой и технологией.

Полупроводниковые лазеры с ионизацией быстрыми электронами и фотоио­ низацией в настоящее время не имеют значительного распространения.

Преимущества полупроводниковых лазеров: возможность непосредственно­ го преобразования электрической энергии в излучение, малые размеры области свечения, высокие КПД и яркость, возможность высокочастотной модуляции излучения током питания. Наряду с другими преимуществами, присущими по­ лупроводниковым приборам (возможность работы от низковольтных источни­

Срок службы полупроводниковых светодиодов обычно составляет 1054-106 часов и при возрастании окружающей температуры на 104-30° снижается при­ мерно вдвое.

Полупроводниковые светодиоды, как и лазеры, компактны, экономичны, имеют высокое быстродействие, интегрируются с другими полупроводниковы­ ми приборами и являются базовыми элементами современной оптоэлектроники. Область их применения чрезвычайно обширна: индикаторы для отображения информации, системы автоматического контроля, различного рода датчики, си­ стемы накачки, инфракрасной подсветки, связи на короткие расстояния и др. Объемы их производства в мире — сотни миллионов штук в месяц.

2.5.5. Объекты тепловизионного наблюдения. В связи с бурным разви­ тием тепловидения, теплопеленгации и теплового наведения кратко рассмотрим характеристики объектов, излучающих в инфракрасном диапазоне.

Обшивка реактивных самолетов при полете на высоте 11 км вслед­ ствие аэродинамического нагрева достигает температуры ~ 100°С при М = 2,2, 200 4-250 °С при М = 3 и 700 °С при М = 5,5 (где М — отношение скорости самолета к скорости звука) и является источником значительного теплового излучения. При уменьшении высоты аэродинамический нагрев только усили­ вается. Так на высоте 3 км температура 2004-250°С достигается при М т 2 .

Однако обнаруживают самолеты, как правило, по тепловому излучению соп­ ла их двигателя и факела выхлопных газов. Излучение сопла двигателя может

В бесфорсажном режиме излучение в заднюю полусферу от сопла дви­ гателя много больше, чем от факела. В форсажном режиме расход топлива увеличивается до 5 раз и доминирующим источником излучения становится факел, температура на срезе сопла и геометрические размеры которого также значительно увеличиваются. Это приводит к увеличению яркости факела до 50 раз. Хотя температура факела уменьшается при удалении от сопла, из-за значительной длины факела какая-то часть его видна при любом направлении наблюдения, в том числе в переднюю полусферу.

При больших сверхзвуковых скоростях излучение факела реальных дви­ гателей, работающих на форсаже, снова становится меньше по сравнению с излучением выхлопного сопла.

При использовании углеводородного топлива главным продуктом сгорания в факеле являются углекислый газ и пары воды. Сильная полоса излучения факела, наблюдаемая при 4,4 мкм, обусловлена СОг а более слабая и широ­ кая полоса при 2,7 мкм образуется в результате наложения нескольких полос излучения воды и углекислоты. Кроме того, много слабых полос наблюдает­ ся при длинах волн свыше 25 мкм. Спектральная яркость при 4,4 мкм выше, чем при 2,7 мкм, в зависимости от вида топлива в 2,54-10 раз. Этот диапазон