Лазери на гетеропереходах

Для усунення недоліків гомолазеров і підвищення ефективності їхньої роботи необхідно обмежити зону поширення генерируемого світла й инжектируемых електронів і забезпечити протікання цих процесів тільки в активній області. Такі обмеження можуть бути отримані на гетеропереходных структурах. у цей час звичайно застосовується подвійний гетеропереход. Схематичне подання напівпровідникового лазера з подвійним гетеропереходом зображено на малюнку. У цьому діоді реалізовані два переходи між різними матеріалами.

Al₀₃Ga₀₃As(p) – GaAs і Al₀₃Ga₀₇As(n) – GaAs.

Активний шар являє собою тонкий шар GaAs (0,1–0,3мкм). У такій структурі граничну щільність струму при кімнатній температурі можна зменшити на два порядки (~ 10³ А/див²). У такий спосіб стає можливої робота в безперервному режимі при кімнатній температурі. Досягається це завдяки трьом фронтам:

1. показник переломлення GaAs (n  3,6) більше чим показник переломлення Al_xGa_1-xAs (n3,4), що приводить утворенню оптичної волноводной структури.

2. Ширина заборонної зони GaAs (~ 1,5 ев) менше ніж ширина зони для Al_xGa_1-xAs (~ 1,8 ев). Тому на обох переходах утворяться енергетичні бар'єри, які ефективно втримують инжектированные електрони дірки в активному шарі, тобто збільшується концентрація електронів і дірок в активному шарі, а значить збільшується й посилення.

3. Оскільки E_д2 більше чим E_д1, лазерний пучок з **** D= E_д1/h майже не поглинається в Al₀₃Ga₀₇As. Тому крила поперечного профілю пучка, що розходяться в p- і n- області майже не випробовують сильного поглинання.

Довжина хвиль розглянутого лазера 0,85 мкм. Вона попадає в діапазон, у якому спостерігається мінімум втрат в оптичному волокні із плавленого кварцу (так зване вікно пропущення). У цей час посилено розробляються лазери з подвійний гетероструктурой, що працюють на довжині хвилі 1,3 мкм, або ((1,6 мкм.

Напівпровідникові лазери, що накачуються електронним пучком.

Лазери з оптичним накачуванням

На малюнку 7 показана схема напівпровідникового лазера, що накачується електронним пучком. Електрони, що випускаються електронною гарматою, прискорюються до високих енергій, рухаючись у напрямку до напівпровідника. Діапазон енергій електронів становить 0,015–1 МэВ. Кожний електрон високої енергії, що проникає в напівпровідника, генерує велика кількість электронно-дырочных пара. Наприклад, електрон з енергією 50 кэВ в GaAs генерує в середньому 10⁴ электронно-дырочных пара.

Електрони високої енергії не проникають глибоко в напівпровідника. Більшість электронно-дырочных пар, що формують інверсну населеність, виникають на глибині в кілька мікрометрів від поверхні, що бомбардує. Так при потужності електронного пучка Р_н =50 кэВ товщина шаруючи d з інверсною населеністю становить близько 4 мкм, при Р_н =25 кэВ d1,5 мкм, а при Р_н =100 кэВ d9 мкм.

носії, Що Утворяться, збираються в країв зони провідності (електрони) і зовнішньої зони (дірки) і рекомбинируют. Грані зразка (найчастіше сколені) служать дзеркалами відкритого лазерного резонатора. Когерентне випромінювання виходить зі зразка в напрямку, перпендикулярному до падаючого пучка електронів.

Лазери, що накопичуються пучком електронів, звичайно працюють в імпульсному режимі, мають велику вихідну потужність (до 10⁶ Вт в імпульсі). Довжина хвилі випромінювання лежить у діапазоні від УФ - області до найближчої ИК - області спектра. Такі лазери менш зручні у використанні, чим лазери на p-n переходах через необхідність використати складні електронні пушки, джерела харчування й вакуумні системи. Однак вони мають ряд переваг які дають можливість віддати їм перевага при рішенні конкретних технічних проблем: дослідження властивостей матеріалів, здійснення режиму сканування оптичного пучка в просторі й т.д.

Для напівпровідникових лазерів також застосовується метод оптичного накачування. Напівпровідник опромінюється інтенсивним світловим випромінюванням з енергією фотонів перевищуючу ширину заборонної зони (малюнок 8).

При оптичного накачування напівпровідника як джерело накачування звичайно використають випромінювання іншого лазера. Так для оптичного накачування лазерів, у яких застосовуються напівпровідники InSb і InAs, використається випромінювання напівпровідникового лазера на GaAs. Застосування джерел із широким спектром випромінювання менш ефективно через сильне поглинання випромінювання широкого спектра напівпровідниковим матеріалом.

Напівпровідникові лазери

Лазер на основі напівпровідникового кристала. На відміну від лазерів інших типів у напівпровідниковому лазері використаються випромінювальні квантові переходи між дозволеними енергетичними зонами, а не дисперсними рівнями енергії. У напівпровідниковому активному середовищі може досягатися дуже великий показник оптичного посилення (до 10⁴ див^-1), завдяки чому розміри активного елемента напівпровідникового лазера винятково мала (довжина резонатора ~ 50 мкм– 1 мм). Крім компактності, особливостями напівпровідникового лазера є мала инерционность (~10^-9с), високий КПД (до 10⁴), можливість перебудови й великий вибір речовин для генерації в широкому спектральному діапазоні від =0,3 мкм до 30 мкм. Активними частками в напівпровідникових лазерах служать надлишкові (нерівновагі) електрони провідності й дірки, тобто вільні носії заряду, які можуть инжектироваться, дифундувати й дрейфувати в активному середовищі. Найважливішим способом накачування в напівпровідникових лазерах є інжекція через p-n перехід або гетеропереход, що дозволяє здійснити безпосереднє перетворення електричної енергії в когерентне випромінювання (инжекционный лазер). Іншими способами накачування служить електричний пробій, бомбардування електронами й висвітлення.

У напівпровідниковому лазері з електронним накачуванням використаються пучки швидких електронів з енергією 10⁴–10⁵ ев (як правило, менше порога утворення радіаційних дефектів у кристалі). Надлишкові носії заряду утворяться в результаті іонізації при вповільненні швидких електронів. Глибина проникнення електронів залежить від енергії й може досягати 10^-2 див. Напівпровідниковий лазер цього типу, крім активного елемента, містить джерело високої напруги, електронну гармату й систему фокусування й керування пучком. Достоїнство напівпровідникового лазера з електронним накачуванням - можливість спектрования випромінюючої плями по активному елементі, що дозволяє здійснити відтворення й проектування на великий екран телевізійного зображення. Потужність випромінювання в імпульсі в напівпровідниковому лазері цього типу може досягати 1 Мвт (при накачування великого об'єму кристала або многоэлементной мішені). Напівпровідникові лазери з електронним накачуванням виготовляють у вигляді відпаяної вакуумної трубки з оптичним вікном для висновку лазерного випромінювання.

Робітники	Т, ДО	, мкм	Гранична	Потужність випромінювання
речовина			щільність	неприрывная	імпульсна
	4-20	0,84	0,1	12	-
GaAs	77-90	0,85-0,86	0,5	3-4	5-100
	300	0,88	1	0,2	10
	400	0,92	1,5	-	-
AlxGa1 xAs	77	0,66	-	0,05	-
	300	0,77	2-3	0,01	0,1
InAs	4-20	3,2	1	0,05	0,1
InSb	4,2	5,2	0,5	-	-
Pb	4,2	4,3	0,35	0,01	-
Pb1 - xSnxTc	12	9-11	0,05	0,001	0,01