Полупроводниковые лазеры

В лазерах этого типа активной средой является полупроводниковый кристалл. Наиболее распространенный способ накачки – пропускание через кристалл тока.

Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.

Активная среда инжекционного лазера (рис. 3.23) размещена в тонком прямоугольном параллелепипеде, расположенном между р и n слоями полупроводниковой структуры; толщина d активной области около 1 мкм. Полированные или сколотые торцы кристалла (шириной w), выполненные оптически плоскими и строго параллельными, в такой конструкции действуют как оптический резонатор (аналог резонатора Фабри-Перо). Коэффициент отражения оптического излучения на полированных плоскостях кристалла достигает 20-40%, что обеспечивает необходимую положительную обратную связь без применения дополнительных технических средств (специальных зеркал или отражателей). Однако боковые грани кристалла имеют шероховатую поверхность, что уменьшает отражение оптического излучения от них.

Рисунок 3.23 – Конструкция полупроводникового лазера

 Накачка активной среды в лазерном диоде обеспечивается внешним электрическим смещением р-n-перехода в прямом направлении. При этом через р-n-переход протекает значительный ток I_лд и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и дырок излучаются кванты света (фотоны).

Лазерные колебания возбуждаются и генерируются, если усиление фотонов в активной среде превышает потери оптического излучения, связанные с частичным выводом, рассеянием и поглощением фотонов. Коэффициент усиления фотонов в активной среде полупроводникового лазера оказывается значительным только при интенсивной инжекции заряда. Для этого необходимо обеспечить достаточно большой электрический ток I_лд.

Чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо создать положительную обратную связь, то есть часть усиленного выходного сигнала нужно возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняют параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола.

Кроме того, необходимо обеспечить электрическое, электронное и оптическое ограничения. Суть электрического ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение – это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде и принятие мер против их расплывания в пассивные области. Оптическое ограничение должно предотвратить растекание светового луча при его многократных проходах через кристалл и обеспечить удержание лазерного луча в активной среде. В полупроводниковых лазерах это достигается за счет того, что зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла, – вследствие этого возникает волноводный эффект самофокусировки луча. Неодинаковость показателей преломления достигается различием в характере и степени легирования зон кристалла, включая использование гетероструктур.

При рекомбинации свободных электронов и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может сообщаться кристаллической решетке (переходить в тепло) или излучаться в виде квантов света (фотонов). Для полупроводниковых лазеров принципиально важным является испускание фотонов (излучательная рекомбинация). В кремниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных актов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупроводники по существу непригодны для лазеров.

Иначе протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа А³В⁵ (а также А²В⁶ и А⁴В⁶), где в определенных, технически совершенных условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными; возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны напрямую, не изменяя импульса и направления движения, без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепловых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов оказывается наиболее высокой.

Среди бинарных соединений типа А³В⁵ в качестве лазерных материалов доминируют кристаллы арсенида галлия GaAs. Расширение физических и технических возможностей полупроводниковых лазеров обеспечивают твердые растворы арсенида галлия, в которых атомы дополнительных элементов (алюминия – Al, индия – In, фосфора – Р, сурьмы – Sb) смешаны и жестко фиксированы в общей кристаллической решетке базовой структуры. Распространение получили тройные соединения: арсенид галлия–алюминия Ga_1–xAl_xAs, арсенид индия–галлия In_xGa_1–xAs, арсенид–фосфид галлия GaAs_1–x P_x, арсенид–антимонид галлия GaAs_xSb_1–x и четверные соединения: Ga_xIn_1–xAsyP_1–y, Al_xGa_1–xAsySb_1–y. Содержание (х или у) конкретного элемента в твердом растворе задано в пределах 0<х<1, 0<у<1.

Эффективно излучающими прямозонными полупроводниками являются двойные соединения А³В⁵ (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), группа (PbS, PbSe, PbTe) и твердые растворы (Zn_1–xCd_xS, CdS_1–xSe_x, PbS_1–xSe_x, Pb_xSn_1–xTe).

Длина волны излучения полупроводникового лазера достаточно жестко связана с шириной запрещенной зоны, которая, в свою очередь, четко определяется физическими свойствами конкретного полупроводникового соединения. Варьируя состав лазерного материала, можно изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, длину волны лазерного излучения.

Инжекционные лазеры имеют следующие достоинства:

•  сверхминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения – к 1 мкм²;

•  высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу; это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери:  вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов;

•  удобство управления — низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режиме с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Управление полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) обеспечивается схемотехническими средствами и потому оказывается относительно несложным. Мощность излучения Ризл полупроводникового лазера (рис. 3.24) зависит от инжекционного тока Iлд (тока возбуждения) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока Iлд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока Iлд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения Ризл. Однако генерируемая мощность Ризл и в этом режиме пропорциональна уровню тока Iлд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера прямо связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока Iлд.

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис.3.24а) фиксируется на пологом участке ватт­амперной характеристики Ризл = (Iлд) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока Iлд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока Iлд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт­амперной характеристики (рис. 3.24б). Изменение тока Iлд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

 

Рисунок 3.24 – Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции

 

Инжекционным лазерам присущи и недостатки, к наиболее принципиальным из которых можно отнести:

•  невысокую когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) — значительную ширину спектральной линии;

•  большую угловую расходимость;

•  асимметрию лазерного пучка.

Асимметрия лазерного луча объясняется явлением дифракции, из­за которой световой поток, излучаемый прямоугольным резонатором, расширяется неодинаково (рис. 3.25а): чем уже торец резонатора, тем больше угол излученияθ. В полупроводниковом лазере толщина d резонатора заметно меньше его ширины w; поэтому угол излучения θ|| в горизонтальной плоскости (рис. 3.25б) меньше угла θ₁ в вертикальной плоскости (рис. 3.25в), а луч полупроводникового лазера имеет эллиптическое сечение. Обычно θ_|| ≈ 10­15°, a θ₁ ≈ 20-40°, что явно больше, чем у твердотельных и, особенно, газовых лазеров.

 

Рисунок 3.25 – Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера

 

Для устранения асимметрии эллиптический гауссов пучок света с помощью скрещенных цилиндрических линз (рис. 3.9) преобразуют в пучок круглого сечения.

Рисунок 3.26 – Преобразование эллиптического гауссова светового пучка в круговой с помощью скрещенных цилиндрических линз

 

В допечатных процессах лазерные диоды нашли чрезвычайно широкое применение В качестве источников экспонирующего излучения во многих фотовыводных и формовыводных устройствах, а также в цифровых печатных машинах.

Как правило, лазерное излучение поступает на экспонируемый материал от лазерного диода через оптиковолоконные световоды. Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются цилиндрические, сферические и стержневые (градиентные) линзы.

Цилиндрическая линза (рис. 3.27а) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

 

Рисунок 3.27 – Применение цилиндрической (а) и сферической (б) линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода

 

Сферическая линза (рис. 3.27б) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения.

Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода. Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. В стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне, коэффициент преломления не является постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния: от центральной оси (то есть пропорционально квадрату радиуса). Однако, в отличие от градиентного световода, у градиентной линзы большой диаметр (1­2 мм) и нет оболочки.

На рис. 3.28а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе, в которую вводится параллельный пучок, далее изменяется и продвигается по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

 ,

 где g — параметр, определяющий распределение показателя преломления (и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L, можно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = Lр /2, то падающий параллельный пучок света можно сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

Градиентная линза длиной L = Lp /4 фокусирует параллельный пучок света в пятно небольшого диаметра (рис. 3.28б), что эффективно при вводе пучка оптического излучения значительного диаметра в волоконный световод с небольшой числовой апертурой.

Формируя градиентную линзу длиной L ≤ Lp /2 в техническом варианте, представленном на рис. 3.28в, можно успешно согласовать по оптическому каналу полупроводниковый лазер и волоконный световод

Рисунок 3.28 – Применение стержневых линз для ввода и вывода оптического излучения

В системах CtP обычно используются диоды малой мощности. Однако при их объединении в группы суммарная мощность системы может достигать сотен ватт при КПД 50%. Обычно полупроводниковые лазеры не требуют применения специальных систем охлаждения. Интенсивное водяное охлаждение используется только в устройствах повышенной мощности.

Главным недостатком полупроводниковых лазеров является неодинаковое распределение энергии по сечению лазерного луча. Однако, благодаря хорошему соотношению цены и качества, полупроводниковые лазеры стали в последнее время наиболее востребованным видом источников экспонирующего излучения в CtP-системах.

Широко применяются сегодня инфракрасные диоды с длиной волны 670 и 830 нм. Среди устройств, оснащенных ими — Lotem и Trendsetter (Creo); PlateRite (Dainippon Screen); Topsetter (Heidelberg); XPose! (Luscher); Dimension (Presstek). Для повышения производительности устройств экспонирование осуществляется матрицей диодов. Минимальный размер точки обычно лежит в пределах 10-14 мкм. Однако малая глубина резкости ИК-диодов требует применения дополнительных операций по коррекции луча. Из достоинств ИК-диодов можно отметить возможность загрузки пластин при дневном свете.

В последнее время во многих моделях CtP-устройств используется фиолетовый лазерный диод с длиной волны 405 нм. Полупроводниковый фиолетовый лазер применяется в промышленности сравнительно недавно. Его внедрение связано с разработкой технологии DVD. Достаточно быстро новый источник излучения стал применяться в системах Computer-to-Plate. Фиолетовые лазерные диоды дешевы, долговечны и имеют достаточную для воздействия на копировальные слои пластин энергию излучения. Однако из-за коротковолновой эмиссии лазер очень прихотлив в работе, а на качество записи большое влияние оказывают качество поверхности печатной пластины и состояние оптики. Пластины для экспонирования фиолетовым лазером можно загружать при желтом освещении. В настоящее время фиолетовый лазер используется в следующих устройствах: Palladio (Agfa); Mako 2 (ECRM); Luxel V/Vx (FujiFilm); Prosetter (Heidelberg); PlateDriver (Esko-Graphics).

Применение длинноволновых полупроводниковых и светодиодных источников заметно упрощает схему построения ФНА. Однако эти источники имеют малую мощность, а это приводит к получению «мягкой» точки, площадь которой при копировании па формпый материал уменьшается. Длина волны этих лазеров — от 660 нм (красные) до 780 нм (инфракрасные).