1.5.15. Полупроводниковые лазеры

P-n-(полупроводниковый)-диод - основной элемент полупроводникового лазера. Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в p-область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того чтобы инжекция электронов в p-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безызлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в p- области. Таким образом, для получения состояния с инверсией населенностей в p-области необходима высокая степень легирования примесями обеих областей p-n-перехода.

Излучателем является узкая часть p-области, прилегающая к p-n- переходу. Конструкция лазерного диода показана на рис.1.16. Зеркалами являются гладкие грани самого полупроводникового кристалла, получаемые обычно скалыванием его краев. Вынужденное излучение происходит параллельно р-n-переходу (рис.1.16). Типичными размерами лазерного кристалла являются (мкм):

длина 100 - 500 ширина 200 - 400 высота 80 - 100 толщина области рекомбинации 1 - 3

Отрицательный электрод

n-GaAs(Подложка) n-Al xGa1-x As GaAs(активный слой) p-Al xGa1-x As

p-GaAs

Положительный электрод

Радиатор

Свет

Рис.1.16. Схематическое изображение конструкции полупроводникового (инжекционного) лазера.

51

Материалом для полупроводниковых лазеров могут быть соединения типа: А3В5 (GaN, GaSb, InP, GaInAs, и. т. д.) А4В4 (PbS, PbTe, PbSSe, и. т. д.) А2В6 (ZnO, CdS, ZnCdS и. т. д.) А3В6 (GaSe, InSe и. т. д.)

Инжекционные лазеры по сравнению с другими типами лазеров отличаются высоким КПД (до 80%), простотой возбуждения, малыми размерами, низким напряжением накачки, высокой надежностью.

Изменяя состав активной среды можно варьировать длину волны излучения в широком интервале. Меньшую перестройку длины волны в данном материале можно осуществлять за счет изменения температуры, давления, напряженности магнитного поля.

Впределах участка непрерывной перестройки частоты инжекционный лазер характеризуется очень высоким спектральным разрешением. Ширина линии достигает 10-5 - 10-6 см. Мощность излучения в многомодовом режиме составляет несколько милливатт, в одномодовом режиме около 0.1 - 1 мВт.

Созданы промышленные полупроводниковые лазеры мощностью несколько Вт

иинтегральные лазерные решетки мощностью десятки Вт. Одна из важных проблем полупроводниковых лазеров - создание приборов для коротковолнового диапазона. В настоящее время созданы лазеры для синей области спектра на основе нитрида галлия, материалов группы А2В6. Следует отметить, что в последнем случае имеются значительные трудности при создании n-p-перехода, и лазерные диоды реализуются на переходе полупроводник-металл (диоды Шотки).

1.5.16.Жидкостные лазеры

Вжидкостных лазерах вынужденное излучение возникает на флуоресцентном переходе в молекулах органического красителя. Концентрация красителя составляет 0,005 - 0,0001 моль/л. лазеров.

Электронные состояния красителей имеют многочисленные колебательные и вращательные уровни, которые за счет взаимодействия друг с другом и соседними молекулами (растворителя) так сильно уширены, что

переходы между электронными состояниями в спектре флуоресценции образуют широкие полосы.

Создание инверсии населенностей происходит с помощью оптической накачки. В качестве мощного источника света используют либо импульсные лампы, либо лазеры (азотные, Nd-ИАГ, ионные) (рис.1.17).

52

Рис.1.17. Примерная конструкция жидкостного лазера

Лазеры на красителях генерируют электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 0.32 до 1.22 мкм. КПД этих лазеров порядка 1%. Обычно жидкостные лазеры работают в импульсном режиме. Наиболее

важным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты излучения в широких пределах (с одним красителем несколько десятков нм). Более широкая перестройка частоты может осуществляться изменением состава, концентрации и температуры раствора.

Достоинства жидкостных лазеров: возможность перестройки частоты; малая расходимость излучения; высокая степень пространственной когерентности.

Недостатки: малый КПД; малая монохроматичность; низкая степень временной когерентности. Большая ширина линии генерации может быть

отнесена и к достоинствам с точки зрения использования их в режиме синхронизации мод: таким образом, получены световые импульсы длительностью около 1пс.

53