Загальна характеристика напівпровідникових лазерів

 

Перший напівпровідниковий лазер був запущений в 1962 р. на арсеніді гелію. Напівпровідникові лазери займають у квантовій електроніці особливе місце завдяки ряду своїх особливостей:

– компактність, обумовлена гігантським коефіцієнтом підсилення;

– високий КПД через ефективне перетворення подводимой енергії в лазерне випромінювання при накачуванні електричним струмом (до 80 %);

– широкий діапазон довжин хвиль генерації в результаті можливості вибору напівпровідникового матеріалу із шириною забороненої зони, що відповідає випромінюванню в будь-якій крапці спектрального інтервалу від 0,3 до 30 мкм;

– плавна перебудова довжини хвилі випромінювання, обумовлена залежністю спектрально-оптичних властивостей напівпровідників і, насамперед, ширина забороненої зони від температури, тиску, магнітного поля й т.д.;

– малоинерционность, через малий час релаксації й практично безинерционности створення нерівновагих електронів і дірок при накачуванні електричним струмом;

– простота конструкції, обумовлена можливістю накачування постійним струмом і, що приводить до сумісності напівпровідникових лазерів з інтегральними схемами напівпровідникової електроніки, пристроями електронної оптики й волоконних оптичних мішеней зв'язку.

Специфіка процесів генерування випромінювання в напівпровідникових лазерах багато в чому обумовлена системою енергетичних рівнів напівпровідника, що представляють собою широкі смуги - зони енергетичних станів. Дозволені зони відділені одна від іншої забороненими зонами.

У напівпровіднику, підданому зовнішньому впливу, електрони валентної зони, поглинаючи енергію переборюють заборонену зону й переходять у зону провідності. У результаті утворяться пари носіїв заряду: електрон у зоні провідності й дірка у валентній зоні. Можливий і зворотний перехід електронів збудженого атома на більше низький енергетичний рівень із зони провідність у валентну зону. У результаті такого переходу пари електрон-дірка рекомбинируют, виділяючи надлишкову енергію, отриману електронами ззовні в процесі порушення атомів. Цей процес тривати приблизно 10^-10–10^-12 с.

У стані теплової рівноваги число електронів у валентній зоні в багато разів більше чим у зоні провідності. Тому при висвітленні напівпровідника поглинання світла переважає над посиленням. Для посилення світла необхідно створити особливі умови, при яких концентрація електронів поблизу дна зони провідності Е_с була б більше їхньої концентрації поблизу стелі валентної зони Е_V тобто (N_e>N_V). У цих умовах число атомів спонтанної й індукованої рекомбінації буде переважати над числом атомів поглинання й виконується при настанні в напівпровіднику так званого виродження, тобто такого стану, при якому всі рівні нижньої частини зони провідності зайняті електронами, або у верхній частині валентної зони – дірками. Якщо в напівпровіднику одночасно вырождены електрони й дірки, то відстань між рівнями Ферми для електронів m _э й для дірок m _д більше, ніж ширина забороненої зони, тобто

це вираження описує енергетичний стан, необхідне для роботи напівпровідникового лазера, що відповідає інверсної населеності рівнів.

Якщо зробити на вырожденный напівпровідник додатковий вплив, енергія якого лежить в інтервалі

Якщо зробити на вырожденный напівпровідник додатковий вплив, енергія якого лежить в інтервалі (E _C- E _V)£ E £(m _э - m _д), то такий напівпровідник буде генерувати кванти випромінювання.

Якщо помістити вырожденный напівпровідник в оптичний резонатор, у якому отриманий фотон знову проходить через кристал, створюючи щораз нові лавини фотонів, то при кожному проході смуга частот енергії народжених фотонів буде звужуватися внаслідок дозволених властивостей резонатора.

По способі створення інверсної населеності напівпровідникові лазери можна розділити на чотири основні групи: лазери на p-n переході (инжекционные лазери); лазери з електронним порушенням; лазери з оптичним накачуванням; лазери на лавинному пробої.

Найпоширенішими є инжекционные лазери, у яких при пропущенні струму в прямому напрямку через p-n перехід має місце інжекція нерівновагих носіїв. Існують так звані гомоструктурные й гетероструктурные инжекционные лазери. У перші для створення p-n переходу використається один, а в другому - кілька напівпровідників.

До недоліків напівпровідникових лазерів можна віднести малі розміри, що не дозволяють одержати високу вихідну потужність або енергію, чутливість до перевантажень і до перегріву, що сприяє різкому підвищенню порога самозбудження й навіть до необоротного руйнування при нагріванні понад деякої характерну для кожного типу лазера температури.