Полупроводниковые лазеры. Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускание через него. - презентация

1 Полупроводниковые лазеры

2 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.

3 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.

4 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.

5 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 ).

6 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).

7 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.

8 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.

9 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.

10 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.