Полупроводниковые лазеры

1. Полупроводниковые лазеры

2. Полупроводниковые лазеры • 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.

4. 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 v12 , определяемая из соотношения hv12=E2-E1.При обычных темперах большинство атомов находится в основном состояние .Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией , равной hv12 .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 hv12(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 hv12 , с атомом , находящимся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hv12 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.

8. Конструкция лазера. Конструктивно активный слой из р-n- перехода помещается между двумя металлическими электродами. Типичный размер активной области не превышает 200-500 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.

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