6.2.5.3. Лазеры

Лазер – это излучающий прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии или энергии некогерентного излучения в энергию когерентного излучения. В полупроводниковых лазерах или в полупроводниковых оптических квантовых генераторах (ОКГ) излучение, как и в светоизлучающих диодах, порождается рекомбинацией электронов и “дырок”. Однако, это рекомбинация в лазерах оказывается в основном не самопроизвольной, а вынужденной (стимулированной). Поэтому источники вынужденного излучения назвали лазе-

Рис.6.15. Распределение яркости излучения, генерируемого ЛД, в поперечном сечении пучка; а- форма пучка в дальней (заштрихованная область) и ближней (зачерненная область) зонах; б,в–угловые распределения яркости соответственно по большой и

малой полуосям эллипса, наблюдаемые в дальней зоне

рами по первым буквам слов длинного названия – light wave amplification by stimulated emission of radiation – усиление световых волн с помощью стимулирования излучения.

Излучение при вынужденной рекомбинации получается когерентными, и это является принципиальным отличием полупроводниковых лазеров от светоизлучающих диодов (СИД).

Когерентное излучение – это излучение, возникающее при одновременном (синхронном) и синфазным (одинаковом по фазе) излучении возбужденных атомов. Упрощенная схема получения когерентного излучения выглядит следующим образом:

Имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударившийся фотон (этот факт доказан А. Эйнштейном). Т.о. будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного фотона. Будут двигаться три фотона. Аналогично произойдет излучение из третьего атома и т.д. В результате световой поток усиливается в огромное число раз, теоретически коэффициент усиления может достигать . Движется огромное число фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление т.е. излучение будет когерентным. Кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и уменьшают энергию выходного когерентного излучения т.е. уменьшают усиление света.

Для усиления света необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном состоянии т.е. должна быть, так называемая, инверсия населенности энергетических уровней, следовательно, в большинстве атомов электроны необходимо перевести на более высокие энергетические уровни. Для этого к веществу активной среды необходимо подводить энергию, вызывающую возбуждение атомов. Этот процесс получил название накачки. Прибор, работающий в таком режиме, является квантовым усилителем света. Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается.

Упрощенная схема лазера имеет вид:

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя пластинами зеркалами (1,2), одно из которых (2) полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала (1) к зеркалу (2). Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливается по пути, затем отражается от зеркала (1), снова движется к зеркалу (2), частично излучается, а частично отражается и движется обратно. Через зеркало (2) будет излучатся когерентный поток фотонов. Внешний источник энергии осуществляет накачку.

Рис.6.16. Схема лазера; 1, 2–зеркала

Для работы полупроводникового лазера необходимо преобладание вынужденной излучательной рекомбинации над поглощением квантов света. Это зависит от соотношения количества возбужденных и невозбужденных атомов в кристалле полупроводника, т.е. от населенности энергетических уровней полупроводника. В равновесных условиях на более высоких энергетических уровнях при любой температуре полупроводника число электронов меньше, чем на более низких энергетических уровнях. При этом нельзя получить усиление света в результате вынужденной рекомбинации. Для преобладания вынужденной рекомбинации над поглощением квантов света необходимо создать состояние полупроводника с инверсной населенностью. В этом случае поглощение фотонов мало, так как нет электронов, которым можно передать энергию. С другой стороны в полупроводнике с инверсной населенностью может происходить вынужденная рекомбинация.

Вынужденная рекомбинация т.е. переход электронов на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света может произойти под действием фотона, как уже рассказывалось выше.

Инверсную населенность в полупроводнике можно создать различными способами:

– с помощью инжекции носителей заряда при прямом включении p-n перехода, (инжекционные лазеры),

– путем бомбардировки полупроводника пучком быстрых электронов,

– с помощью оптической накачки, т.е. путем возбуждения атомов полупроводника квантами света от мощного излучателя.

– путем использования сильного электрического поля, вызывающего лавинное размножение носителей заряда.

Наибольший интерес представляет первый из этих способов создания инверсной населенности. Рассмотрим инжекционный лазер. В нем имеется p-n переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация примесей составляет ^-3.

Грани, перпендикулярные плоскости p-n перехода, отполированы и являются зеркалами оптического резонатора. При подачи прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n переходе и происходит инжекция электронов и “дырок”. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает излучение, которое многократно отражаясь от зеркал, усиливается. Чем больший ток проходит через p-n переход, тем лучше выполняется условие инверсной населенности. Минимальный ток, при котором происходит преимущественно вынужденная рекомбинация, называется пороговым током.

Для инжекционных лазеров применяют в основном арсенид галлия . Длина волны излучения 0,8-0,9 мкм. КПД от 50 до 60%. Лазер с линейными размерами полупроводника ~мм дает мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме – до 100 Вт.

Простейший полупроводниковый лазер составлен из двух плоскопараллельных зеркал, однако, применяются и более сложные конструкции с другой формой зеркал и с дополнительными устройствами для управления излучением (могут находится внутри резонатора или вне его). С помощью этих устройств лазерный луч отклоняется и фокусируется, изменяются различные параметры излучения. Длины волн излучения различных лазеров могут быть от 0,1 до 100 мкм. Длительность импульсов бывает в пределах от . Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижима мощностьВт для наносекундных импульсов иВт для пикосекундных.

Рис.6.17. Полупроводниковый лазер

Рассмотрим основные характеристики лазеров.

Лазерное излучение возникает при пороговой плотности тока, которая зависит от температуры. Для лазера из пороговая плотность тока ~ при и ~ при 77 К. Следовательно, для уменьшения пороговой плотности тока необходимо глубокое охлаждение инжекционного лазера.

Инжекционные лазеры с использованием гетеропереходов имеют значительно меньшие пороговые плотности токов и могут работать при комнатной температуре в непрерывном режиме. Гетеропереход – это переход между двумя различными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоны. Изучены гетеропереходы: ,,,,[18].

Спектральная характеристика лазера, представляет собой зависимость интенсивности излучения от длины волн.

При токах меньших порогового возникает некогерентное излучение в основном из-за самопроизвольной рекомбинации, т.е. лазер работает как светодиод. При токах больших порогового значения устройство работает как инжекционный лазер, излучение становится когерентным, строго направленным, узкодиапазонным и более интенсивным.

Рис.6.18. Спектральная характеристика ИК лазера - кривая (2)при токе выше порогового значения; излучение в режиме диода – кривая (1) при токе ниже порогового значения