Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций
.pdf
Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса
выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и рас пределению электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами.
В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод; для получения одночастотного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.
7.5. Конструкция, параметры и режимы работы лазеров
7.5.1. Конструкция лазеров
На рис. 7.3 изображена структурная схема, которая содержит следующие основные элементы.
Рис. 7.3. Структурная схема лазера
Излучатель лазера – основная функциональная часть лазера,
предназначенная для преобразования энергии накачки в лазерное
излучение и содержащая один или несколько лазерных активных
элементов.
Внешний источник энергии, который обеспечивает создание
энергии накачки, превышающей порог генерирования лазера.
Излучатель лазера, в свою очередь, можно считать состоящим из
ряда конструктивных элементов, среди которых можно выделить:
– лазерный активный элемент (лазерный усилитель), содержащий лазерное вещество, в котором в процессе накачки создается активная среда;
91
– систему накачки – совокупность элементов, предназначенных
для преобразования энергии и передачи ее от внешнего источника
энергии к лазерному активному элементу;
– оптический резонатор – элемент положительной обратной связи.
В полупроводниковых лазерах излучатель составляет конструктивное целое; в газовых и твердотельных лазерах можно обычно выделить каждый из элементов излучателя.
Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих
для управления лазерным излучением. К таким дополнительным
элементам можно отнести систему охлаждения активного элемента и системы накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему,
устройство кон троля параметров излучения и др. (см. рис. 7.3).
В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех
или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является
обязательным. Как будет видно при рассмотрении типов лазеров,
температура активного вещества играет важную роль в достижении
эффективности лазера. В некоторых активных веществах достаточную эффективность можно получить лишь при их значительном
охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания
необходимой температуры активного вещества и системы накачки.
Модуляция излучения необходима, например, при использовании лазеров в системах обработки информации и позволяет управлять лазерным излучением. Она может быть осуществлена путем
воздействия на систему накачки или активный элемент, а также преобразованием выходного лазерного излучения.
Внешняя оптическая система служит для формирования лазерного излучения, например, для изменения угла расходимости.
Устройства контроля параметров представляют собой различные
устройства измерения параметров излучения (мощности излучения,
частоты и т.п.) и поддержания их на заданном уровне.
По типу материала активного элемента лазеры делятся на четыре
основных класса:
1) полупроводниковые – лазеры с полупроводниковым активным
элементом;
2) газовые – лазеры с газовым активным элементом;
3) твердотельные – лазеры с твердотельным активным элементом;
4) жидкостные – лазеры с жидкостным активным элементом.
Основные параметры лазеров
Лазерное излуче ние характеризуется пространственно-временными и энер гетическими параметрами.
92
В группе пространственно-временных выделяют следующие па-
раметры:
– частота лазерного излучения – средняя частота (или средняя
длина волны) спектра лазерного излучения;
– ширина линии лазерного излучения – расстояние между точками контура спектральной линии лазерного из лучения, соответствующее половине интенсивности линии в максимуме;
– расходимость лазерного излучения – плоский или телесный
угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;
– время готовности лазера – время, необходимое для достижения
лазером эксплуатационных (номинальных) параметров с момента
его включения.
К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего
энергия Е и мощность Р лазерного излучения. Энергия определяет
энергетические возможности лазера. Мощность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во
времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть.
Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности
Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность действует всего 1 нс.
Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется
плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т.е. энергией
(мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.
Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в
энер гию излучения характеризуется КПД, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру.
К энергетическим параметрам относится также порог генерирования лазера.
Режимы работы лазеров
Можно выделить три основных режима работы лазеров:
1) режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазеры, работающие в не прерывном режиме,
называются непрерывными;
2) режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульсный режим) – импульсные лазеры;
3) режим импульсно-периодического лазерного излучения – импульсно-периодические лазеры.
93
В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно пре вышающем период колебаний, т.е. такие
лазеры дают непрерывное излучение в течение длительного времени.
Импульсный режим характеризуется излучением энергии в виде
импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой
энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным
во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают
импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии импульса 1 Дж их
мощность достигает 100 млн кВт).
В импульсно-периодическом режиме излучение формируется в
виде периодических серий и импульсов – импульсных пакетов.
7.5.2. Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры обеспечивают наилучшую совместимость с микроэлектронными устройствами. Первые полупроводниковые лазеры были созданы в 1962 г. В настоящее время применяются
в основном два типа полупроводниковых лазеров. Наиболее распространены инжекционные лазеры, лазерная активная среда в которых возника ет в результате инжекции свободных носителей заряда
р–п-перехода. Перспективны также полупроводниковые лазеры с
электронной накачкой, в которых генерация ко герентного излучения происходит в процессе воздействия на полупроводник потока
электронов высокой энергии. В инжекционных лазерах используются
люминесцирующие полупроводники с прямыми переходами, обмен
носителями в которых между минимумом зоны проводимости и валентной зоной характеризуется высокой вероятностью. Иными словами, излучательная рекомбинация свободных дырок и электронов
(переходы зона—зона) протекает в таких веществах интенсивно.
7.5.3. Лазерное усиление в полупроводниках
Свойства полупроводниковых лазеров тесно связаны со структурой
полупроводников, из которых изготовлены излучатели лазеров. Атомы
полупроводников характеризуются стационар ными состояниями, соответствующими определенным значе ниям энергии. Каждому такому
состоянию соответствует определенная конфигурация электронных
оболочек атомов. В полупроводнике внешние (валентные) электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются. В результате
валентные электроны как бы освобождаются от оболочки: электроны,
находящиеся на определенном энер гетическом уровне одного атома,
94
могут переходить без затраты энергии на соответствующий уровень соседнего атома, свободно перемещаясь внутри полупроводника. Вместо
индивидуальных атомных орбит образуются коллективные, и подоболочки отдельных атомов объединяются в зоны. Таким образом, дискретные электронные уров ни изолированных атомов полупроводника
в результате взаимодействия расщепляются в относительно широкие
зоны разрешенных значений энергии, разделенных запрещен ными
зонами. Каждая разрешенная зона образуется из большого числа уровней, равного количеству атомов в полупроводнике. При ширине зоны
около 1 эВ расстояние между соседними уровнями в разрешенной зоне
-22
~ 10
эВ. Поэтому зоны можно рассматривать как сплош ные полосы.
Излучение в полупроводниках характеризуется тем, что в процессе взаимодействия принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны с конечным количеством уровней: зона проводимости
и валентная зона. При этом испускание фотона произойдет только
тогда, когда в зоне проводимости имеется электрон, а в валентной
зоне одно временно дырка.
Условием усиления излучения является превышение скорости
излучения над скоростью поглощения: v
изл
> v
погл
.
Условие инверсии населенностей при прямых межзониых переходах, т. е. условие возможности лазерного усиления в полупроводнике будет имеет вид
E
– EFp > EC – EV. (7.11)
Fn
В инжекционных лазерах инверсия населенности дости гается
при высоких уровнях инжекции. При этом материал хотя бы одной
из обла стей (р или п) должен быть вырожденным.
На рис. 7.4 приведены энергетические диаграммы р–п-перехода
инжекционного лазера в состоянии термического равновесия (при
отсутствии смещения на р–п-переходе) – рис. 7.4, а, в режиме лазерного усиления (при прямом смещении на р–п-переходе и плотности
тока выше пороговой) – рис. 7.4, б.
В полупроводниковом лазере наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие механизмы рекомби нации, которые
не дают излучения (безизлучательная рекомбинация). К таким механизмам относят рекомбина цию на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударную оже-рекомбинацию и др. В случае
безизлучательной рекомбинации свободного носителя происходит
выде ление фотона с очень малой энергией. Для генерации когерентного полезного излучения такой носитель потерян. Очевидно, что
эффективность лазера тем выше, чем больше доля актов излучательной рекомбинации по сравнению с безизлучательной.
95
а – при отсутствии смещения на р–п-переходе; б – при прямом сме-
Рис. 7.4. Энергетические диаграммы р-п-перехода:
щении на р–п-переходе и плотности тока выше пороговой
Независимо от механизма рекомбинации длина волны излучения
определяется выражением
λ = 1,23/Ез,
(7.12)
где Ез – ширина запрещенной зоны.
Тогда условие излучения прямозонного полупроводника имеет вид
hν ~ Eз . (7.13)
Для этого инжектируемые (возбуждаемые) носители (электроны)
должны получать от электрического поля до статочную энергию, т.е.
должно выполняться неравенство
U
где U
– прямое напряжение на р–п-переходе.
p–п
> Eз/q, (7.14)
p–n
Таким образом условие (7.14) наряду с (7.11) показывает, что лазерный эффект достигается только в вырожденных полупроводниках.
7.5.4. Инжекционные лазеры
Роль оптического резонатора в инжекционных лазерах играют
зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярных плоскости
р–п-перехода. При протекании через р–п-переход достаточно большого прямого тока возникает когерентное излучение.
Первые инжекционные лазеры были созданы на арсениде галлия.
Типичный лазер на GaAs изготавливается в форме прямоугольного
параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до миллиметра (рис. 7.5).
96
1 – полированные торцевые поверхности; 2 – р-область; 3 – п-область;
4 – электриче ские проводники; 5 – молибденовая пластина, покрытая
Рис. 7.5. Инжекционный полупроводниковый лазер:
слоем золота; 6 – область р–п-перехода (темная)
Две боковые грани (торцы) служат зеркалами оптического резонатора лазера. Показатель преломления GaAs достаточно велик, и от
полированных торцов, не имеющих дополнительного покрытия, отражается примерно 35 % падающего излучения. Две другие торцевые
грани, перпенди кулярные плоскости р–п-перехода, немного скошены (см. рис. 7.5). Это сделано для того, чтобы между этими гранями
генерация излу чения не возникала.
При низких температурах инжекционные лазеры на GaAs могут
работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме, а при комнатной температуре только в им пульсном режиме. Процесс возникновения генерации в лазере зависит от плотности тока инжекции J.
При подаче на р–п-переход прямого напряжения с его ростом возрастает разность между электронным и дырочным квазиуровнями Φерми EFn – EFp. Образующиеся при рекомбинации носителей
фотоны имеют различную энергию и произвольное направление
распространения. Среди фотонов есть и такие, которые распространяются в плоскости р–п-перехода. Сталкиваясь с возбужденными
электронами и отражаясь от зеркал резонатора, они вызывают вынужденное излучение. Количество таких фотонов увеличивается с
ростом прямого напряжения и соответственно плотности тока через
р–п-переход. Когда J достигает некоторой пороговой плотности
тока I
, выполняется условие инверсии населенностей. В результа-
пор
те количественные изменения процесса – рост вынужденного излучения – переходят в новое качество – режим генерации излучения.
При этом происходит резкое сужение спектральной характеристики
излучения (рис. 7.6) и улучшается диаграмма на правленности излучения (рис. 7.7). Излучение становится когерентным. В инжекционных лазерах J
составляет 103...104 А/см2 (T = 300 К).
пор
Наряду с пороговой плотностью тока важными параметрами лазера являются квантовый выход и КПД. Внешний квантовый выход
97
Рис. 7.6. Спектральная характеристика
излучения лазера в режиме генерации и ее
отсутст вии
Рис. 7.7. Температурная зависимость
плотности порогового тока
η равен отношению числа фотонов N
, излучаемых в единицу вре-
изл
мени во внешнюю среду, к числу электронно-дырочных пар, прошедших за это время через р–п-переход (N
η = ηb ηo (N
изл/Np–n
):
p–n
), (7.15)
где ηb – внутренний квантовый выход; ηo – оптический выход.
В зависимости от концентрации примесей в однородном полупроводниковом материале р- и п-типов в арсениде галлия, например, наблюдаются четыре типа излучения (или «четыре линии излучения»).
Первый тип обусловлен переходом свободной дырки в зону
проводимо сти или на мелкий донорный уровень. Второй тип – переходом свободного электрона на акцепторный уровень. Третий
тип – переходом с донорного уровня на акцепторный. Четвертый
тип – переходом с донорного уровня в валентную зону.
Третий тип излучения (вызываемый переходом с донорного
уровня на акцепторный) – это основной тип излучения в материале
р-типа.
В инжекционных лазерах на GaAs источником излучения обычно
является р-область. В этом случае линия излучения аналогична основной линии излучения в однородном материале р-типа (линия 3).
Работа лазера сильно зависит от температуры, изменение которой
приводит к сдвигу спектра излучения полупроводникового лазера. С
одной стороны, это происходит в результате изменения показателя
преломления материала лазера и, следовательно, собственной частоты резонатора. С другой – спектр излучения сдвигается в резуль тате
сдвига вершины линии люминесценции.
98
От температуры также существенно зависит такой важнейший
параметр лазера, как плотность порогового тока. На рис. 7.7 показана температурная зависимость плотности порогового то ка J
пор
для ннжекционных лазеров различных типов. Для лазеров на основе диффузионных или эпитаксиальных р–п-переходов J
в области
пор
комнатных температур могут отли чаться в несколько раз и составляют (2...5)·10
4
А/см2 (кривые 1, 2 на рис. 7.7). Это не позволяет, в
частности, получить для таких лазеров непрерывную генерацию при
комнатной температуре. Снизить J
(кривые 3, 4 на рис. 7.7) и су-
пор
щественно улучшить эффективность инжекционных лазеров удалось при переходе к гетерогенной структуре р–п-перехода.
7.5.5. Лазеры с гетерогенной структурой
Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциаль ными барьерами для встречных потоков дырок
и электронов, что вызывает одностороннюю инжекцию носителей
заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом
концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое рав новесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера
и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно
шире запрещенной зоны базы, а показатель преломления зависит от
ширины запрещенной зоны.
В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до
вырождения, так как условие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в ширине запрещенных
зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры
достигается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня
легирования способствует умень шению потерь на безизлучательную
рекомбинацию и повышению внутренней квантовой эффективности.
Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет
к тому, что все избыточные носители заряда сосредоточиваются в активной средней области, их проникновение в эмиттер ничтожно мало.
Положительную роль играет также волноводный эффект, который спо собствует концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного среднего слоя структуры.
В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными
имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший
КПД, что, в свою очередь, позволяет осу ществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.
Наиболее перспективны инжекционные лазеры с многослойной гетероструктурой. На рис. 7.8 изображен лазер с двойной гете-
99
роструктурой (ДГС-лазер) и полосковой геометрией электрода. Для
лучших образцов ДГС-лазеров на основе GaAs – GaAlAs удалось при
комнатной температуре получить J
< 103 А/см2, что почти на два
пор
порядка меньше, чем для гомогенных лазеров.
Рис. 7.8. Инжекционный лазер с ДГС-структурой
7.5.6. Лазеры с электронной накачкой
Кроме инжекционных лазеров применяются также полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. При этом на полупроводник воздействует поток электронов высокой энергии (десятки
и сотни килоэлектронвольт). Электроны накачки, проникая вглубь
кристалла, возбуждают электроны валентной зоны и часть их переходит на более высокие энергетические уровни зоны проводимости.
Эти возбужденные электроны, в свою очередь, передают энергию
другим атомам решетки, возникает лавина, ослабе вающая по мере
удаления от поверхности вглубь полупроводника.
Конструктивно полупроводниковый лазер с электронной накачкой выполняется в виде электронно-лучевой трубки (рабочее напряжение – десятки киловольт), в которую помещается полупроводник.
Поток электронов с энергией 20 кэВ и более направляется на
плоскую грань полупроводникового образца. В тонком поверхностном слое полупроводника электронный поток создает большое число электронно-дырочных пар (примерно 10 пар на один электрон).
Образующиеся носители собираются у дна зоны проводимости
(электроны) и потолка валентной зоны (дырки) и рекомбинируют.
Когерентное излучение выходит из полупроводниковой пластины
в пло скости, перпендикулярной направлению потока электронов.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]