Полупроводниковые Полупроводниковые лазерылазеры

Полупроводниковые лазерыПолупроводниковые лазеры

Полупроводниковым лазером Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное называют оптоэлектронное устройство , генерирующее устройство , генерирующее когерентное излучение при когерентное излучение при пропускание через него пропускание через него электрического тока. электрического тока.

Генерация стимулированного Генерация стимулированного когерентного излучения, или когерентного излучения, или лазерный эффект , была лазерный эффект , была разработана для газовых лазеров разработана для газовых лазеров и хорошо описана с и хорошо описана с использованием представления об использованием представления об электронных уровнях атомных электронных уровнях атомных системах.системах.

Рассмотрим два энергетических Рассмотрим два энергетических уровня Е1 и Е2, один из которых Е2 уровня Е1 и Е2, один из которых Е2 характеризует основное , а другой характеризует основное , а другой Е1 – возбужденное состояние .Е1 – возбужденное состояние .

Любой переход между этими состояниями Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой поглощением фотона с частотой vv12 12 , ,

определяемая из соотношения определяемая из соотношения hvhv1212=E2-E1=E2-E1.При .При обычных темперах большинство атомов обычных темперах большинство атомов находится в основном состояние .Эта ситуация находится в основном состояние .Эта ситуация нарушается в результате воздействия на нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией , равной систему фотона с энергией , равной hvhv12 12 .Атом .Атом в состояние Е1 поглощает фотон и переходит в состояние Е1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е2.Это и составляет в возбужденное состояние Е2.Это и составляет процесс поглощения. Возбужденное состояние процесс поглощения. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в внешнего воздействия атом переходит в основное состояние , испуская фотон с основное состояние , испуская фотон с энергией энергией hvhv1212 (спонтанная эмиссия ).(спонтанная эмиссия ).

Время жизни , связанное со спонтанной Время жизни , связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10диапазоне, обычно в пределах 10^̂(-9)-10(-9)-10^̂(-3) (-3) с, в зависимости от параметров с, в зависимости от параметров полупроводника, таких как структура зон полупроводника, таких как структура зон (прямая или не прямая) и плотность (прямая или не прямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией фотона, обладающего энергией hvhv12 12 , с , с атомом , находящимся в возбужденном атомом , находящимся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией фотона с энергией hvhv12 12 и фазой, и фазой, соответствующей фазе падающего излучения соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).(стимулированное излучение).

Зонная диаграмма. Зонная диаграмма.

Инверсная населенность, необходимая для Инверсная населенность, необходимая для стимулированного когерентного излучения, стимулированного когерентного излучения, формируется путем инжекции через формируется путем инжекции через прямосмещенный прямосмещенный p-n-p-n-переход. Резонатор, переход. Резонатор, необходимый для усиления когерентного необходимый для усиления когерентного излучения, формируется путем шлифовки излучения, формируется путем шлифовки граней кристалла. Для того чтобы переходы с граней кристалла. Для того чтобы переходы с излучением преобладали перед переходами с излучением преобладали перед переходами с поглощением, необходимо область поглощением, необходимо область рекомбинации в полупроводниковом лазере рекомбинации в полупроводниковом лазере легировать до вырождения. В подобных легировать до вырождения. В подобных лазерах р- и лазерах р- и n-n-области выполнены на одном области выполнены на одном материале. При такой концентрации уровень материале. При такой концентрации уровень Ферми Ферми FnFn для р- области попадает в валентную для р- области попадает в валентную зону а уровни Ферми длязону а уровни Ферми для n- n- области в зону области в зону проводимости.проводимости.

Конструкция лазера.Конструкция лазера.Конструктивно активный слой из р-Конструктивно активный слой из р-nn- перехода - перехода

помещается между двумя металлическими помещается между двумя металлическими электродами. Типичный размер активной области не электродами. Типичный размер активной области не превышает 200-500 мкм, отражающие поверхности превышает 200-500 мкм, отражающие поверхности создаются путем скалывания выходных граней создаются путем скалывания выходных граней полупроводникового монокристалла. В таком виде полупроводникового монокристалла. В таком виде полупроводниковый лазер имеет недостаток, полупроводниковый лазер имеет недостаток, заключающийся в том, что размер лазерного пучка (заключающийся в том, что размер лазерного пучка (~~5 5 мкм) значительно превышает активную область в мкм) значительно превышает активную область в поперечном направлении (поперечном направлении (d~1d~1мкм). В результате чего мкм). В результате чего излучение проникает далеко в р- и излучение проникает далеко в р- и nn- области, где - области, где испытывает сильное поглощение. По этой причине испытывает сильное поглощение. По этой причине пороговая плотность тока достигает большой величины пороговая плотность тока достигает большой величины ((~~1010^5^5 А А//см длясм для GaAs GaAs) и лазер быстро выходит из строя ) и лазер быстро выходит из строя от перегрева. Работоспособен такой лазер только в от перегрева. Работоспособен такой лазер только в импульсном режиме, а для не прерывного режима импульсном режиме, а для не прерывного режима излучения необходимо глубокое охлаждение.излучения необходимо глубокое охлаждение.

Применение полупроводниковых Применение полупроводниковых лазеров.лазеров.

Они находят применение в различных Они находят применение в различных областях оптоэлектроники и систем записи и областях оптоэлектроники и систем записи и считывание информации. В первые в широких считывание информации. В первые в широких масштабах эти лазеры начали использоваться масштабах эти лазеры начали использоваться в качестве считывающей головки в компакт - в качестве считывающей головки в компакт - дисковых системах. Лазеры на твердых дисковых системах. Лазеры на твердых растворах имеют излучение в видимой растворах имеют излучение в видимой области оптического спектра, что позволило области оптического спектра, что позволило считывать плотно записанную информацию. считывать плотно записанную информацию.

Вторая область применения – волоконно-Вторая область применения – волоконно-оптическая связь, где чаще всего оптическая связь, где чаще всего используются лазеры ИК диапазона на основе используются лазеры ИК диапазона на основе GaAsGaAs. Лазеры . Лазеры GaAsGaAs широко применяются для широко применяются для накачки твердо тельных накачки твердо тельных Nd-YAGNd-YAG- лазеров при - лазеров при продольной конфигурации. Для этого продольной конфигурации. Для этого используются линейки из диодных лазеров, в используются линейки из диодных лазеров, в которых при некоторых конструктивных которых при некоторых конструктивных решениях удалось поднять выходную решениях удалось поднять выходную мощность от 50мВт до 2Вт.мощность от 50мВт до 2Вт.

В качестве примера из повседневной жизни В качестве примера из повседневной жизни можно привести использование можно привести использование полупроводникового лазера в лазерных полупроводникового лазера в лазерных указках. Она состоит из лазерного светодиода указках. Она состоит из лазерного светодиода и компактного источника питания. и компактного источника питания.