6.2 Особенности лазерного излучения

• Малая расходимость пучка.

С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку диаметром 0,5 мкМ (для видимого света). При этом угол расходимости будет равен 10^-7 радиан. Если такой луч послать на Луну, расстояние до которой составляет 384 000 км, то он высветит пятно диаметром всего 30 М.

• Высокая монохроматичность.

В идеале лазерное излучение имеет одну-единственную частоту и соответствующую ей одну-единственную длину волны. Реально лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10^-3 Гц.

• Возможность варьирования длительности излучения.

Длительность излучения можно регулировать от сколь угодно длительных до сверхкоротких импульсных вспышек (например, 10^-15Сек). Импульсы света такой малой длительности имеют огромную мощность, поэтому вещества, освещенные таким лазером, нагреваются до очень высоких температур, а значит, очень часто возникает необходимость их охлаждения. Напряженность электрического поля в луче может достигать 10¹¹ В/см. Под действием такого сильного поля у многих веществ происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы.

6.3 Лазеры на гетероструктурах

Особое значение имеют гетероструктурные лазеры, которые не требуют охлаждения и работают при комнатной температуре. Этими проблемами занимался академик Жорес Иванович Алферов, получивший в 2000 г. за выдающиеся открытия в области гетероструктур Нобелевскую премию.

Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны.

Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры, например переходы, созданные из так называемых «твердых растворов»: AlGaAs-GaAs, InP-GaInAs и т.д.

Этим гетеропереходы отличаются от гомопереходов.

Гомопереход – это переход, созданный на основе одного полупроводника с различной проводимостью (например, контакт кремния с электронной и дырочной проводимостью).

Рассмотрим p-n гетеропереход, у которого ширина запрещенной зоны n-полупроводника больше, чем у p-полупроводника:

n p

W_П`

W_П Ө

W`

W_В`

W

W_В

W>W`

Как видно из энергетической диаграммы такого перехода, высота энергетического барьера для электронов, движущихся из n-области в p-область () гораздо меньше энергетического барьера для дырок, движущихся из p-области в n-область (). Поэтому при подаче на такой гетеропереход прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов, т.е. получится односторонняя инжекция. Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода.

Гетеропереход может быть создан на основе полупроводников одного типа проводимости (p-p⁺ или n-n⁺).

p p⁺

W_П`

W`

W_П Ө

W_В`

W_В W

W<W`

Высота энергетического барьера для электронов (ННЗ), переходящих из p в p⁺-область, будет значительной, т.е. в базе (p⁺-область) не будут накапливаться ННЗ, следовательно, не требуется время на их рассасывание, а значит, повышается быстродействие.

Использование двойных гетероструктур (ДГС), таких как p-n-n⁺ или n-p-p⁺ позволили получить сверхинжекцию и, тем самым, увеличить коэффициент усиления и повысить КПД.