Напівпровідникові лазери

Як активна речовина у лазері можуть застосовуватись і напівпровідникові матеріали. Лазери такого типу називають напівпровідниковими або інжекційними.

У напівпровідникових лазерах можливе пряме перетворення електричної енергії у енергію світлового випромінювання, в результаті чого можна одержати високий к.к.д близько 100%.

Енергетичні рівні напівпровідника показані на рисунку.

Зона провідності 1 і валентна зона 5 розділені зобороненою зоною 6 (рівні, які не можуть бути зайняті електронами даної речовини).

У кристалі можуть також виникнути рівні 2, 3, 4 пов'язані з наявністю тих або інших порушень кристалічної структури.

Стани електронів у зоні провідності і валентній зоні утворюють безперервний спектр власних значень енергії. У ідеальному напівпровіднику число електронів у зоні провідності в точності дорівнює числу дірок (не зайнятих електроном місць) у валентній зоні. В реальному напівпро­віднику число носіїв струму визначається наявністю в ньому сторонніх домішок.

Когерентне випромінювання світла напівпровідниковими речовинами викликане реком­бінацією електронів і дірок, що роблять переходи між енергетичними зонами напівпровідника, а також між домішуваними рівнями.

Якщо електрону надати додаткову енергію ззовні, він перейде на більш високий енергетичний рівень, що лежить у зоні провідності. При повернені електрона у валентну зону відбувається рекомбінація пари електрон—дірка, що супроводжується виділенням енергії у вигляді кванта світлового випромінювання.

Якщо пропускати через напівпровідниковий матеріал з р-п переходом електричний струм у прямому напрямі, то відбувається збудження електронів, які віддають потім надлишок енергії у вигляді світлових квантів.

У 1962 р. був розроблений напівпровідниковий лазер з активною речовиною з арсеніду галію, що мав шарову структуру типу площинного діода. У арсенід галію вкраплений свинець з цинком або телурій. Будова такого генератора показана на рис.

Активний матеріал складається з арсеніду галію n-типу і р-типу.

П лощина р – n переходу 6 горизонтальна. Сам напівпровідник має форму зрізаної піраміди, нижня частина якої знаходиться на плоскому електроді. Передня і задня поверхні піраміди паралельні і дуже старанно відполіровані. Ці поверхні утворюють резонатор, настроєний на довжину хвилі 0,85 мк.

Працює лазер при температурі 77 К. Для інжекції носіїв зарядів використовуються імпульси струму тривалості 5-20 мксек. При густині струму, близькій до 8500 А/см² інтенсивність випромінювання швидко зростає.

Коефіцієнт перетворення електричної енергії у інфрачервоне випромінювання дорівнює 85%. Інтенсивність ви­промінювання останніх зразків напівпровідникових лазерів досягає 2500 Вт/см². Імпульсні потужності напівпро­відникових лазерів, активна область яких має розмір булавочної головки, становлять 3 Вт при к. к. д. близько 100%.

Напівпровідникові оптичні генератори можуть працю­вати в імпульсному і безперервному режимах.