15. Лазеры на твердом теле. Рубиновый лазер.

16. Полупроводниковые лазеры. Принцип работы. Достоинства и недостатки. Способы накачки полупроводникового лазера.

Полупроводниковый лазер представляет собой два приведенных в контакт полупроводниковых вещества (один n-типа, другой р-типа) с электрическими контактами (питание). Две отшлифованные противоположные грани образуют резонатор (одна из граней покрыта соответствующим веществом, чтобы быть полностью отражающей).

Первые полупроводниковые лазеры были выполнены из арсенида галлия (GaAs). Они работали в импульсном режиме, испуская инфракрасное излучение; во время работы требовали интенсивного охлаждения (из-за влияния сильного тока). Дальнейшие исследованияпозволили:

• использовать ряд новых полупроводниковых материалов,

• расширить диапазон длин волнизлучения: от средней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой,

• получить генерацию в условиях непрерывной работы без необходимости охлаждения,

• получить плавное изменение длины волныизлучения с помощью магнитного поля, электрического поля и внешнего давления.

Для получения когерентного индуцированного излучения необходимо создать состояние с инверсной населенностью активных частиц. В полупроводниковых материалах активными частицами являются электроны. В любом полупроводниковом материале существуют:

- валентная зона,

- зона проводимости,

между которыми лежит запрещенная зона.

Зоне проводимости соответствуют более высокие энергетические состояния электронов по сравнению с валентной. Вследствие того, что электроны в нормальном (невозбужденном) состоянии находятся на уровнях с наименьшей энергией, валентная зона оказывается заполненной электронами, а зона проводимости – пустой. Для перехода электрона в зону проводимости ему нужно дать дополнительную энергию (возбудить). Это достигается нагревом, облучением светом, воздействием электрического тока, воздействием магнитного поля. Получив дополнительную энергию, электрон преодолевает запрещенную зону и переходит на один из уровней зоны проводимости. При этом в валентной зоне образуется незанятое место – дырка. Под воздействием электрического поля дырка перемещается к отрицательному полюсу, т.е. ведет себя как частица с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона.

Полупроводниковый лазер включает в себя

1) активный элементиз полупроводникового монокристалла, чаще всего в форме бруска ("чипа"). Собственно активная область элемента обычно составляет лишь его малую часть, и её объём, например, в современном, так называемом полосковом,инжекционном лазере,оказывается в пределах

2) Оптический резонаторполупроводникового лазера образован либо торцевыми зеркальными гранями активного элемента (изготовляемого обычно путём раскалывания пластин по плоскостям спайности кристалла), либо внешними отражателями и сложными устройствами с периодическими структурами обратной связи (брэгговскими отражателями и структурами распределённой обратной связи).

3) Источник накачки. Способы накачки:Важнейшим способом накачки в полупроводниковом лазере являетсяинжекция избыточных носителей заряда через р - n-переход, гетеропереходили другой нелинейный электрический контакт. Из-за сравнительно малых размеров излучающего пятна на торце инжекционного лазера испускаемое излучение сильно дифрагирует при выходе во внешнюю среду и его направленность оказывается невысокой (угол расходимости лазерного пучка составляет 20 - 40° и обычно заметно различается во взаимно ортогональных плоскостях).

Другими способами накачкислужат:

• электрический пробой в сильном поле (например, в так называемых стримерных лазерах),

• освещение (полупроводниковый лазер с оптической накачкой),

• бомбардировка быстрыми электронами (полупроводниковый лазер с электронно-лучевой пли электронной накачкой).

Достоинства полупроводниковых лазеров:

В полупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптического усиления, благодаря чемуразмеры полупроводниковых лазеров исключительно малы, например, длина резонатора может составлять несколько мкм, обычно - 200-300 мкм.

Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются малая инерционность

высокий кпд

возможность плавной спектральной перестройки,

большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне.

 

К достоинствам полупроводниковых лазеровследует также отнести:

• совместимость их с полупроводниковыми приборами других типов;

• возможность монолитной интеграции,

• возможность электронного управления режимом генерации и параметрами излучения - длиной волны, степенью когерентности, числом спектральных мод,

• возможность высокочастотной модуляции излучения путём модуляции тока накачки,

• низковольтность (<1-3 В) электропитания,

• наибольшую среди лазеров других типов долговечность.

Недостатки:полупроводниковые лазеры отличаются прежде всего относительно низкими степенями каккогерентности, так имонохроматичностиизлучения.