Полупроводниковые лазеры

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

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

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

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

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

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

Конструкция лазера. Конструктивно активный слой из р-n- перехода помещается между двумя металлическими электродами. Типичный размер активной области не превышает мкм, отражающие поверхности создаются путем скалывания выходных граней полупроводникового монокристалла. В таком виде полупроводниковый лазер имеет недостаток, заключающийся в том, что размер лазерного пучка (~5 мкм) значительно превышает активную область в поперечном направлении (d~1мкм). В результате чего излучение проникает далеко в р- и n- области, где испытывает сильное поглощение. По этой причине пороговая плотность тока достигает большой величины (~10^5 А/см для GaAs) и лазер быстро выходит из строя от перегрева. Работоспособен такой лазер только в импульсном режиме, а для не прерывного режима излучения необходимо глубокое охлаждение.

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

Вторая область применения – волоконно-оптическая связь, где чаще всего используются лазеры ИК диапазона на основе GaAs. Лазеры GaAs широко применяются для накачки твердо тельных Nd-YAG- лазеров при продольной конфигурации. Для этого используются линейки из диодных лазеров, в которых при некоторых конструктивных решениях удалось поднять выходную мощность от 50мВт до 2Вт. Вторая область применения – волоконно-оптическая связь, где чаще всего используются лазеры ИК диапазона на основе GaAs. Лазеры GaAs широко применяются для накачки твердо тельных Nd-YAG- лазеров при продольной конфигурации. Для этого используются линейки из диодных лазеров, в которых при некоторых конструктивных решениях удалось поднять выходную мощность от 50мВт до 2Вт. В качестве примера из повседневной жизни можно привести использование полупроводникового лазера в лазерных указках. Она состоит из лазерного светодиода и компактного источника питания. В качестве примера из повседневной жизни можно привести использование полупроводникового лазера в лазерных указках. Она состоит из лазерного светодиода и компактного источника питания.