6.2.2.1 Конструкция и принцип действия инжекционного лазера
Инверсную населённость в полупроводниковом лазере с p-n-переходом легче всего получить, если одна из областей полупроводниковой структуры содержит большую концентрацию примесей. Ток при включенииp-n-перехода будет состоять из двух составляющих: электронной и дырочной. Чем больший ток мы пропускаем, тем с большим запасом выполняется условие с инверсной населённостью.
Минимальный ток, при котором происходит преимущественно только излучение (рекомбинация без поглощения), называется пороговым током.
6.2.2.2 Структура полупроводникового лазера
Кванты света при прохождении внутри полупроводника могут вызывать вынужденную рекомбинацию. Это вызывает лавину от одного кванта, и возникает лазерный поток (когерентный). Каждый квант света может быть поглощён. Чтобы возникло лазерное излучение, нужно, чтобы поглощение квантов было значительно меньше вынужденной рекомбинации. Для повышения эффективности лазера нужно, чтобы квант света в активной зоне прошёл несколько раз (внутри активной зоны). Соответственно, вероятность возникновения вынужденной рекомбинации существенно увеличивается.
В реальных лазерах отражения достигают полированием торцов кристалла. Коэффициент отражения полированной грани очень высокий – несколько десятков процентов. Если хотим сделать один выход, то другой металлизируем. Кванты света, которые возникают и идут не вдоль активной зоны, выходят из зоны и не участвуют в вынужденной рекомбинации.
Кристалл выполняется в виде трапеции:
Отражение от первой и второй плоскости. Появление в первом направлении квантов маловероятно. Вторую покрывают металлом, и кванты света могут выходить только из первой плоскости.
Полупроводниковые лазеры изготавливаются на основе арсенид-галлиевых соединений. Инверсную населённость в лазере легко организовать, если создать внутри лазера гетеропереходы. В этом случае в полупроводниковом лазере n- и p-области выполняются из полупроводников с более широкой запрещённой зоной. В центре областей возникают потенциальные ямы для основных носителей заряда. В таких структурах на границе перехода от центральной области к периферийным областям увеличивается коэффициент внутреннего отражения, в результате чего центральная область становится как бы светодиодом. (Грани отражают и свет “ходит” внутри это2й области.)
Полупроводниковые лазеры отличаются от лазеров других типов.
6.2.2.3 Основные отличия
1. Полупроводниковые лазеры обладают очень высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в световую (КПД > 50 %). Другой же тип лазеров – КПД составляет несколько процентов.
2. В полупроводниковых лазерах могут существовать несколько уровней переходов. Переходы могут происходить с разными энергиями. Имеем не совсем когерентное излучение (излучение происходит не на одной частоте, а на группе частот). Фазовые плоскости разных частот могут быть сдвинуты по фазе.
3. Диаграмма направленности излучения лазера составляет несколько градусов.
4. Существует т. н. пороговая плотность тока – плотность тока, при которой в полупроводниковом лазере начинают преобладать вынужденные переходы над произвольными (точка перехода из режима работы светодиода в режим работы лазера).
При переходе из режима светодиода в режим лазера меняется спектральная характеристика (она сужается).
1 – режим светодиода;
2 – режим лазера.
Зависимость интенсивности от тока через лазер. Эти зависимости представляют собой практически линейные зависимости, имеющие два участка с почти линейными зависимостями. Первый участок – самопроизвольная рекомбинация, второй – вынужденная рекомбинация.
На этих участках
зависимость практически линейная.