2.4.3 Когерентные излучатели – лазеры

Полупроводниковый лазер – излучающий прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии или энергии некогерентного излучения в энергию когерентного излучения.

Лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ) является источником когерентного во времени и в пространстве излучения. В полупроводниковых лазерах излучение порождается все той же рекомбинацией электронов и дырок, но, в отличие от СИД, в лазерах она не самопроизвольная, а вынужденная. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно можно представить следующим образом. Воздействие поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, вызывает переход этого атома в основное состояние с испусканием еще одного фотона с энергией, направлением излучения и поляризацией, одинаковыми с теми же параметрами вынуждающего фотона. Если предварительно создать систему возбужденных активных атомов (лазерную активную среду) и воздействовать на нее вынуждающим фотоном, который вызывает стимулированное излучение сразу нескольких атомов и появление нескольких новых фотонов с той же энергией и поляризацией, способных вызывать появление новых фотонов, то возможно усиление первичного излучения, если создание новых фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения называется лазерным усилением.

Процесс возникновения лазерного усиления проходит несколько этапов. Первоначально энергией внешнего воздействия (энергией накачки) Е_н часть электронов с нижних равновесных уровней ₁ переходит на более высокие уровни (рис.9), а затем, потеряв часть энергии, оказывается на уровне возбуждения₂. Переход этих электронов на уровень ₁ сопровождается излучением фотона с длинной волны, определяемой (2.6), в которой .

Эти переходы могут быть спонтанными, при этом момент и направление испускания фотона и ориентация его вектора поляризации случайны, а результирующий поток излучения описывается среднестатистическими параметрами (переходы 1…3 на рис.9). Это излучение некогерентно.

Если же сразу воздействуют вынуждающие фотоны, то, кроме спонтанных переходов , есть вероятность вынужденных переходов с уровня ₂ на уровень ₁ (переходы 4 и 5). При этих переходах все активные атомы излучают практически одновременно и испускаемые фотоны неотличимы от вынуждающих. Эти фотоны представляют стимулированное или вынужденное когерентное излучение.

Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии (₁ и ₂), используемые при усилении или генерации лазерного излучения, называются лазерными уровнями, а переходы между ними – лазерными переходами, если они обусловлены вынуждающими фотонами (переходы 4, 5). Они характеризуются длинной волны , определяемой формулой (2.6). Кроме спонтанных переходов (1…3) и вынужденных (4, 5) существуют также переходы из ₁ в более высокие энергетические состояния, сопровождающиеся поглощением фотона ( переход 6 на рис. 9).

Лазерное усиление возможно, если число лазерных переходов больше чем число спонтанных переходов и переходов в возбужденные состояния с поглощением вынуждающего излучения.

При малой вероятности спонтанного излучения условие лазерного усиления получается в виде:

B₂₁·Q_вын (N₂^__ N1) >0 или (2.8)

где: N₁, N₂ – концентрации атомов с энергиями ₁ и ₂; В₂₁ – вероятность лазерного перехода; Q_вын – энергия вынуждающего излучения.

В равновесном состоянии всегда N₂ < N₁, поэтому лазерное усиление возможно только при предварительных внешних воздействиях (накачке), таких, как инжекция носителей заряда, оптическое или электронное возбуждение и т.д.. В результате накачки создается инверсная населенность энергетических уровней, когда N₂ > N₁ (N > 0 ) и лазерное усиление возможно.

Эффективность лазерного усиления зависит от вероятности лазерного перехода В₂₁ и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность таких переходов в полупроводниках и высокая плотность энергетических состояний в зонах позволяют получить в полупроводниковых лазерах хорошее лазерное усиление.