34. Напівпровідниковий лазер.

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 ККД до 100%.

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.

Площина 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.

34. Рідиннийий лазер.

Виявлена цікава особливість: якщо солі неодіма розчинити і на основі цього розчину зробити лазер, то його смуга випромінювання буде в сотні разів вужчий, ніж у твердотільного лазера на іонах неодиму. До того ж спектр випромінювання значно менше залежатиме від зовнішніх умов і випромінюваної потужності.

Рідинні лазери, що працюють на неорганічних рідинках (як в імпульсному так і в неперервному режимах) переважають твердотільні лазери по питомій потужності, так як при тій же концетрації активних речовин вони допускають ефективне охолодження активної речовини шляхом його прокачки через резонатор і теплообмінник. В існуючих рідинних лазерах на неорганічних рідинах активними речовинами є рідкісноземельні елементи (найчастіше Nd³⁺ ), що входять в склад рідкого люмінофора. Люмінофор являє собою суміш хлороксиду (POCl₃, SOCl₂, SeOCl₂) з кислотою Льюїса (SnCl₄, ZrCl та ін.). Наприклад, в рідинному лазері на люмінофорі POCl₃—SnCl₄—Nd іон Nd³⁺ оточений 8 атомами O, що входять в склад POCl₃.

Світло накачки поглинають іонами Nd³⁺, що володіють широкими полосами поглинання. Великі часи життя метастабільних рівнів Nd³⁺ дозволяють досягнути порогу генерації. Розроблені також рідинні лазери де ці іони входять в якості активної добавки в рідкі хлориди Al, Ga, Zr та ін., або їх суміші. Властивості рідинних лазерів з іонами Nd³⁺ є проміжними між властивостями твердотільних неодимових лазерів на склі і на кристалах. Їхні особливості визначаються властивостями іонів Nd³⁺, які працюють за чотирирівневою схемою. При накачуванні з основного стану іонів Nd³⁺ (рівень ₄I^9/2) в їхні інтенсивні смуги поглинання в областях довжин хвиль 0,58; 0,74; 0,8 і 0,9 мкм вони внаслідок безвипромінювальної релаксації швидко переходять на метастабільний рівень ₄F^3/2. Генерація зазвичай відбувається при переходах з рівня ₄F^3/2 на рівень ₄I^9/2 "піднятий" над основним рівнем приблизно на 2000 см⁻¹ і тому практично ненаселений. Це визначає малий поріг генерації і відносно великий ККД (3-5%). Енергія генерації ≥ 1 кДж, потужність у безперервному режимі і в режимі повторюваних імпульсів> > 1 кВт. Це визначає сферу застосування таких рідинних лазерів: лазерна технологія, медицина, накачування інших лазерів і т. д.

Основний недолік, властивий всім рідинним лазерам - відносно мала спрямованість випромінювання (велика розбіжність). Застосуванням активної корекції або методів обернення хвильового фронту можна усунути цей недолік