Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер — лазер на основе полупроводникового кристалла. В отличие от лазеров других типов, в этом лазере используются излучательные квантовые переходы между раз­решёнными энергетическими зонами, а не дискретными уровнями энергии. В полупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптического усиления (до 10⁴см^–1), благодаря чему размеры активного элемента лазера исключи­тельно малы (длина резонатора ~50 мкм — 1 мм). Помимо компакт­ности, особенностями полупроводниковых лазеров являются малая инерционность (~10^–9с), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне от λ=0,3 мкм до 30 мкм (рис. 14).

Рис. 14

Активными частицами в лазере служат избыточные (неравновесные) электроны проводимости и дырки, т. е. свободные носители заряда, которые мо­гут инжектироваться, диффундировать и дрейфовать в активной среде. Важ­нейшим способом накачки в полупроводниковом лазере является инжекция через р — n-переход или гетеропереход, позволяющая осущест­вить непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное из­лучение (инжекционный ла­зер). Другими способами накачки служат электрический пробой (например, в так называемых стримерных лазерах), бомбардиров­ка электронами (полупроводниковый лазер с электронной накачкой) и освещение (полупроводниковый лазер с оптической накачкой). Полупроводниковые лазеры пред­ложены Н. Г. Басовым и др., впер­вые осуществлены наp—n-переходе в кристаллеGаАsР. Холлом, М. И. Нейтеном (США) и др., с элект­ронной накачкой Басовым с сотрудниками.

Рис. 15

Оптическое усиление в полупроводниках возникает под действием интенсивной накачки при выполнении условий ин­версии населённости уровней вблизи дна ε_с в зоне проводимости и потолка ε_υ в валентной зоне (рис. 15). При этом вероятность заполнения электронами верх­них рабочих уровней в разрешённой зоне (зоне проводимости) больше, чем нижних уровней (валентной зоны). В этом случае вынужденные излучательные переходы преобладают над поглощательными переходами. Величина оптического усиле­ния зависит не только от интенсивно­сти накачки, но и от других факторов: вероятности излучательной рекомби­нации, внутреннего квантового выхода из­лучения, температуры. В качестве лазерных материалов используются прямозонные полупроводники (например,GaАs, СdS, РbS), в которых квантовый выход излу­чения может достигать 100%. На не-прямозонных полупроводниках (Gе,Si) пока не удаётся создать полупроводниковый лазер. Раз­нообразие полупроводниковых лазер­ных материалов позволяет перекрыть широкий спектральный диапазон с по­мощью полупроводниковых материалов (табл. 3,4).

Табл. 3

Табл. 4

Инжекционный полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод, две плоскопараллельные грани которого, перпендикулярные плоскости p—n-перехода и гетероперехода, служат зеркалами оптического резонатора (коэффициент отражения ~30%, рис. 16). Иногда при­меняются внеш. резонаторы. Инверсия заполнения

Рис. 16

достигается при большом прямом токе через диод за счёт инжекции избыточных носителей в слой, прилегающий к переходу. Генерация когерентного излучения возникает в полосе краевой люминесценции, если оптическое усиление способно превзойти потери энергии, связанные с выводом излучения наружу, поглощением и рассеянием внутри резонатора. Ток, соответствующий началу генерации, называется пороговым. Плотность порогового тока в инжекционных лазерах обычно ~1 кА/см²(табл. 4).

Наибольшее распространение полу­чили полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур (гетеролазеры), они имеют наиболее низкие пороговые плот­ности тока при температурах 300 К. Гетеролазер содержит 2 гетероперехо­да, один типа p —n, инжектирую­щий электроны (эмиттер), и другой, типаp —p, ограничивающий диффузное растекание носителей заряда из ак­тивного слоя; активная область зак­лючена между ними. В так называемых поло­сковых лазерах активная область в форме узкой полоски шириной 1—20 мкм протягивается вдоль оси резонатора от одного зер­кала к другому. Благодаря малым раз­мерам активной области пороговый ток полосковых гетеролазеров доста­точно мал (5—150 мА) для получения непрерывной генерации приT=300 К. Мощность излучения таких полупроводниковых лазеров (~100 мВт) ограничена перегревом активной области. В коротких им­пульсах лазеры испускают большую мощность (до 100Вт), которая ограниче­на оптическим разрушением торцевых гра­ней. Многоэлементные инжекционные полупроводниковые лазеры создают в импульсе мощность до 10 кВт.

Полупроводники, из которых могут быть изготовлены гетеролазеры, при различном химическом составе должны обладать одинаковым периодом кристаллической решётки. Используются многокомпонентные твёрдые растворы, среди которых можно найти непрерывные ряды веществ с постоянным периодом решётки (изопериодические системы). Например, в гетеролазере на основе твёрдых растворов Al_xGa_1-xAsгетероструктуру составляют слои (рис. 17):p(Al_xGa_1-xAs);р(GaАs);n(Al_xGa_1-xAs).

Рис. 17

В полупроводниковых лазерах с электронной накачкой ис­пользуются пучки быстрых электронов с энергией 10⁴— 10⁵эВ (как правило, меньшей порога образования радиа­ционных дефектов в кристалле). Избы­точные носители заряда образуются в результате ионизации при замедлении быстрых электронов. Глубина проникнове­ния электронов зависит от энергии и может достигать 10^–2см. Полупроводниковые лазеры этого типа, помимо активного элемента, содержат источник высокого напряжения, элек­тронную пушку и систему фокусиров­ки и управления пучком. Достоинство лазеров с электронной накачкой — воз­можность сканирования излучающего пятна по активному элементу, что поз­воляет осуществить воспроизведение и проектирование на большой экран телевизионного изображения (разно­видность лазерного телевидения). Мощ­ность излучения в импульсе в лазерах этого типа может достигать 1 МВт (при накачке большого объёма кри­сталла или многоэлементной мишени). Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой изготов­ляются в виде отпаянной вакуумной трубки с оптическим окном для вывода лазерного излучения.