tipy_lazerov_i_rezhimy

1. Продольной накачки:

2. Поперечной накачки:

При ламповой накачке используют, в частности, коаксиальные лампы:

Основным преимуществом жидкостных лазеров на растворах красителей являются лёгкость управления частотой излучения и перестройкой её в широком диапазоне. Наиболее эффективный метод – использование дифракционной решётки или призмы.

При этом удаётся получить излучение с ~ 1Å с диапазоном перестройки сотни Å (даже до 1000 Å). С помощью двух сменных кювет можно перекрыть весь спектр от УФ до ИК.

С этой точки зрения эти лазеры – непревзойдённые источники. Эти лазеры характеризуются высоким коэффициентом усиления и небольшим порогом накачки.

Недостатки – высокое значение термооптического коэффициента.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.

Полупроводниковыми лазерами называют такие лазеры, в которых в качестве активной среды используются полупроводники. Полупроводники занимают

промежуточное положение между металлами и диэлектриками по электропроводимости. ρ = 104 – 109 кОм/см.

Преимуществом полупроводниковых лазеров являются малые размеры (самые малогабаритные лазеры), механическая прочность, высокий КПД, возможность высокочастотной модуляции, приемлемая мощность генерации, сравнительно невысокая стоимость.

составляет 10-21 – 10-22 эВ.

Наиболее важными для полупроводника является зона валентная (образованная уровнями энергии валентных электронов) и зона проводимости, между которыми расположена запрещенная зона.

E

Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная зона

Электрические и оптические свойства полупроводников в основном определяются этими зонами.

При Т=0 все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости пуста.

При Т>0 часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, а на их месте образуются вакансии (дырки).

ε

Распределение электронов и дырок по энергетическим уровням в равновесном состоянии описывается распределением Ферми – Дирака:

fэ(ε) = [1+ е(ε- εF)/кТ]-1 – для электронов; fд(ε) = [1+ е(εF - ε)/кТ]-1 – для дырок;

здесь εF - уровень Ферми, вероятность заполнения которого равна ½. fэ + fд = 1.

В чистом полупроводнике уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны,

ε

Зона проводимости

εF fэ

Запрещенная зона

fэ

т.е. вероятность нахождения электрона в зоне проводимости меньше ½, также как и дырок в валентной зоне, ввиду чего такой полупроводник может только поглощать оптическое излучение.

В полупроводниках возможны следующие оптические процессы:

1. Поглощение излучения с образованием пар электрон – дырка (если hν ≥, где Езз

– ширина запрещенной зоны) (оптическая генерация пар электрон-дырка).

2. Рекомбинация пар электрон-дырка с образованием оптических квантов (фотонов) (спонтанная излучательная рекомбинация).

–

hν

Заметим, что рекомбинация пар электрон-дырка может быть и безызлучательной.

3. Вынужденная излучательная рекомбинация.

Для этого процесса необходимо, чтобы энергия фотона равнялась бы энергии рекомбинации. В результате получаем два кванта (исходный и выделенный), неотличимых друг от друга.

Из вышесказанного ясно, что для усиления и генерации оптического излучения может быть использован только этот процесс.

Т.о., в основе принципа действия полупроводниковых лазеров лежит вынужденная излучательная рекомбинация пар электрон-дырка.

Для того, чтобы процесс вынужденной излучательной рекомбинации преобладал над процессом поглощения, необходимо обеспечить достаточно большое количество пар электрон-дырка перед пропусканием усиливаемого излучения.

Это может быть достигнуто, если перед усилением обеспечить большое количество электронов в зоне проводимости (вблизи ее дна), и большое количество дырок в валентной зоне (в верхней ее части):

Достаточно большое количество означает вероятность заполнения электронами дна зоны проводимости, так как только в этом случае вынужденное излучение будет превалировать над поглощением проходящего излучения. Это в свою очередь означает, что уровень Ферми (квазиуровень Ферми) для электронов должен находится в зоне проводимости, а квазиуровень Ферми для дырок должен находится в валентной зоне.

З.П.

При этом, если через такой полупроводник пропустить излучение с энергией фотона

hν в пределах от Езз до εFэ–εFд, оно будет когерентно усиливаться за счет вынужденной рекомбинации, т.к. ее вероятность будет превышать вероятность поглощения.

Такое состояние полупроводника называется вырожденным (уровень Ферми при этом в зоне проводимости для электронов и в валентной зоне для дырок).

Итак, для получения инверсии в чистом полупроводнике необходимо достичь

Полупроводниковые лазеры отличаются друг от друга по способу создания инверсии населенностей (условие (1)) и делятся на 4 класса:

1.лазеры с электронным возбуждением,

2.оптической накачкой,

3.прямым электрическим возбуждением (лавинный пробой),

4.инжекционные.

Последние – инжекционные – (инжекция носителей тока через p – n переход) наиболее распространены. В лазерах с электронным возбуждением используется накачка электронным пучком. В лазерах с оптической накачкой используется накачка оптическим излучением с hν > Езз (см. литературу). В указанных лазерах

используется весь объем полупроводника.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных – инжекционных лазеров.

Инжекционные лазеры.

Если в чистый полупроводник ввести примеси в высокой концентрации (до 1018 -10

19),

можно добиться вырождения электронов и дырок.Для получения вырожденного состояния электронов в n/n вводят донорную примесь высокой концентрации, так что уровни донорной примеси расширяются и сливаются с зоной проводимости, что соответствует случаю вырождения.

З.П. З.П.

Уровень донорной примеси при небольшой концентрации доноров

При этом квазиуровень Ферми для электронов окажется внутри зоны проводимости и в нижней части зоны вероятность заполнение электронами будет больше половины.

З.П.

εF

В.З.

Аналогичная ситуация может быть реализована и для дырок, если ввести высокую концентрацию акцепторной примеси. При этом квазиуровень Ферми εF может оказаться в валентной зоне, и вероятность заполнения дырками верхней части валентной зоны будет превышать половину.

З.П

В.З.

εF

Однако одновременное вырождение электронов и дырок, необходимое для создания инверсии, в чистом п/п получить трудно.

Поэтому для осуществления п/п лазера поступают следующем образом. Приводят в контакт п/п с донорной примесью (с электронной проводимостью-n полупроводник) и п/п с акцепторной примесью (с дырочной проводимостью-p п/п).

При этом, так как концентрация электронов в n-полупроводнике больше ,чем в p- полупроводнике, а концентрация дырок в p-полупроводнике больше чем в n- полупроводнике, электроны начнут переходить (диффузировать) в p-область , а дырки - в n-область.

При этом так до области n и p были нейтральны, они будут приобретать электрический заряд: область n будет приобретать положительный заряд за счет ухода электронов и прихода дырок, а область p-отрицательный заряд за счет ухода дырок и прихода электронов.

Образуется в месте контакта п/п n и p-типа запорное поле , препятствующее дальней диффузии электронов и дырок.

З.П.

εFэ

излучение

εFэ

В.З.

Теперь квазиуровень Ферми для электронов εFэ в p-n области лежит выше дна зоны проводимости, а квазиуровень Ферми для дырок в той же области лежит ниже потолка валентной зоны.

Имеется одновременное (в одной и той же области(p-n переход) вырождение электронов и дырок, т.е. выполняется условие εFэ-εFg> εз.з.(где εз.з – ширина запрещенной зоны) необходимое для усиления излучения (преобладания вынужденной излучательной рекомбинации над поглощением) .

Излучательные переходы происходят при этом только в области p-n перехода, что на рис. показано стрелками Под действием приложенного поля на место рекомбинировавших электронов и дырок и

процесс излучения продолжается, пока приложено внешнее поле.

Напомним, что так как p-n область имеет толщину от одного до нескольких микрометров, излучающая область представляет собой тонкий слой между n и p полупроводниками, и излучающий объем невелик:Δp-n ab

Однако благодаря высокой концентрации частиц и , соответственно, высокому показателю усиления( до 105 см-1) мощность генерации может оказаться достаточно большой, а генерация возникает при малых размерах активного элемента (a, b~ 1мм).