6.3.2. Лазеры

Лазером называется устройство, создающее вынужденное (индуцируемое или стимулированное) когерентное излучение. В качестве когерентного излучателя в лазерах могут быть использованы смеси газов, рубин и полупроводниковый материал. Полупроводниковые лазеры имеют меньшие размеры, более высокий КПД и возможность прямого преобразования электрической энергии в когерентное излучение. Другое название лазера – оптические квантовые генераторы (ОКГ).

Рассмотрим принцип работы полупроводникового ОКГ. В обычных условиях в полупроводниковом материале на более высоких энергетических уровнях число электронов всегда меньше, чем на более низких, между этими уровнями всегда происходит непрерывный обмен электронами. При этом переход с нижнего на верхний уровень сопровождается поглощением энергии, и наоборот – излучением энергии. Поскольку нижние энергетические уровни имеют большую плотность электронов, а верхние имеют меньшее заполнение, то получается, что вероятность поглощения больше, чем вероятность излучения энергии при переходе электрона с высокого энергетического уровня на низкий. Поэтому при равновесном состоянии полупроводниковый материал не может генерировать или усиливать электромагнитные колебания. Следовательно, чтобы полупроводник стал усиливать электромагнитные излучения, необходимо нарушить это состояние и искусственно создать такое состояние, при котором количество электронов на верхних уровнях энергии будет больше, чем на нижних. Такое состояние называется состоянием с инверсной заселенностью. Сам процесс образования такого состояния называется накачкой. Инверсию населенности или накачку лазера можно получить разными способами: либо с помощью инжекции носителей при прямом включении p-n-перехода (инжекционные лазеры), либо с помощью бомбардировки кристалла пучком быстрых электронов (лазеры с электронным возбуждением), либо путем возбуждения атомов световым потоком (лазеры с оптической накачкой). В лазерах с оптической накачкой требуется мощный источник света, таким источником служит диэлектрический рубиновый лазер, а полупроводниковым материалом служит кристалл арсенида галлия.

Исключительно большие скорости переключения лазера позволяют создавать сверхбыстродействующие электронные устройства, увеличивать плотность передачи информации по оптоволоконному кабелю.