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 104 см–1), благодаря чему размеры активного элемента лазера исключительно малы (длина резонатора ~50 мкм — 1 мм). Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются малая инерционность (~10–9 с), 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 на p — n-переходе в кристалле GаАs Р. Холлом, М. И. Нейтеном (США) и др., с электронной накачкой Басовым с сотрудниками.
Р ис. 15
Оптическое усиление в полупроводниках возникает под действием интенсивной накачки при выполнении условий инверсии населённости уровней вблизи дна εс в зоне проводимости и потолка ευ 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, типа p — 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 при T=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 AlxGa1-xAs гетероструктуру составляют слои (рис. 17): p(AlxGa1-xAs); р(GaАs); n(AlxGa1-xAs).
Рис. 17
В полупроводниковых лазерах с электронной накачкой используются пучки быстрых электронов с энергией 104 — 105 эВ (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 10–2 см. 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.
Do'stlaringiz bilan baham: |