Полупроводниковые Лазеры Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. - презентация

1 Полупроводниковые Лазеры Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. малые размеры и компактность (объём кристалла ~ см3). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 104 см-1,хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения. Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 3050%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

2 Люминесценция в полупроводниках При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%. Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла состояние с инверсией населённостей.

3 Инверсия населённостей в полупроводниках Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если и квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n частота излучения) выражается формулой: > hn. Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

4 Энергетические схемы: а накачки и излучательной рекомбинации в полупроводнике; б оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краев зон дна Ес зоны проводимости и потолка Еn валентной зоны; DЕ ширина запрещенной зоны, квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок. В П. л. применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через рn- переход гетеропереход или контакт металл полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

5 Инжекционные лазеры Лазер на рn-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные рn- переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~2040%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2, Рис. 2. Инжекционный лазер на р-n-переходе

6 Схема энергетических зон в р-n-переходе: а при отсутствии тока; б при сильном прямом токе; носители диффундируют в области, прилегающие к переходу, образуя с основными носителями избыточные электронно-дырочные пары. Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

7 Инжекционные лазеры на гетеропереходе Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры. Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа рn) служит для инжекции электронов, а второй (типа рр) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в Полупроводниковый лазер На рn-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для Полупроводниковый лазер на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у Полупроводниковый лазер на рn-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

8 а лазер на гетеропереходе (двусторонняя гетероструктура), б его энергетическая схема.

9 Полупроводниковый лазер инжекционного типа работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (PbxSn1- xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами. Образцы инжекционных лазеров

10 Полупроводниковый лазер с электронной накачкой При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность Полупроводниковый лазер достигает 106 вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника. Схематическое изображение полупроводниковых лазеров с электронной накачкой: а поперечной, б продольной

11 Полупроводниковый лазер с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу. Техническое достоинство Полупроводниковый лазер с электронной накачкой возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~1/3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке

12 Полупроводниковые лазерные материалы. В Полупроводниковый лазер используются главным образом бинарные соединения типа А3В5, А2В6, А4В6 и их смеси твёрдые растворы (см. табл.). Все они прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для Полупроводниковый лазер, например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить Полупроводниковый лазер на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм. Полупроводниковые лазерные материалы

13 Применение Полупроводниковый лазер 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8). Схема проекционного лазерного телевизора: 1 электронная пушка; 2 фокусирующая и отклоняющая система; 3 полупроводниковый кристалл резонатор; 4 объектив; 5 экран

14 НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ

15 ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ГЕТЕРОЛАЗЕРАХ