Полупроводниковый лазер — это лазер на основе твердотельной структуры, в котором в качестве рабочего вещества используется контакт двух полупроводников. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между локализованными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется различными способами:

непосредственно электрическим током (прямая накачка);

электронным пучком;

электромагнитным излучением.

В качестве полупроводникового лазера часто рассматривается гибридный лазер, состоящий из мощного светодиода накачки и наклеенного на него твердотельного активного элемента. Плюс таких лазеров в том, что светодиодную структуру накачки можно сделать довольно протяженной и, соответственно, мощной. Механические деформации от нагрева меньше сказываются на активном элементе.

Поскольку в полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают коллективно атомы, находящиеся очень близко друг к другу и имеющими большую плотность, сам лазер может обладать очень малыми размерами.

Другими особенностями полупроводниковых лазеров являются высокий КПД, малая инерционность, простота конструкции.

Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход. В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронно-дырочных пар.

Рис 1. - Энергетическая схема переходов в полупроводнике, при которых происходит генерация излучения.

Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках показан на рисунке. Conduction band - зона проводимости, valence band - валентная зона, pumping - накачка, light emission - излучение света. Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро релаксируют в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Количественное описание основывается на распределении Ферми-Дирака для электронов в обеих зонах.

Различные типы полупроводниковых лазеров

Небольшие лазерные диоды порядка нескольких милливатт (или до 0,5 Вт) выходной мощности в пучке, с высоким качеством пучка. Они используются в лазерных указках, проигрывателях компакт-дисков и для оптической волоконной связи.

Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором (ECDL - External cavity diode lasers) содержат лазерный диод в качестве активной среды в более длинном лазерном резонаторе. Зачастую они могут быть перестраиваемыми по длине волны, и обладать узкой линией излучения.

В монолитных лазерных диодах, а также в лазерах ECDL (с внешним резонатором) малой мощности также может быть осуществлена синхронизация мод для получения сверхкоротких импульсов.

Рис 2. – Типы проводниковых лазеров.

Большое количество лазерных диодов способны генерировать до нескольких ватт выходной мощности, но качество пучка уже будет значительно хуже.

Мощные диоды объединяют в массив с большой площадью излучающей области. Они могут генерировать десятки ватт излучения, но с плохим качеством пучка.

Диодные линейки, содержащие множество диодов, объединяют один массив и используют их для получения чрезвычайно высоких степеней мощности порядка сотен или тысяч ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs), излучают в направлении, перпендикулярном пластине, обеспечивая несколько милливатт мощности с высоким качеством пучка.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs) с оптической накачкой и внешним резонатором (VECSELs) способны генерировать несколько ватт выходной мощности с отличным качеством пучка, даже в режиме синхронизации мод.

Квантово-каскадные лазеры работают на внутризонных переходов (а не межзонных переходах) и, как правило, излучают в средней инфракрасной области, иногда терагерцового диапазона. Они используются в спектроскопии для для газового анализа, для подсветки в среднем ИК диапазоне и т.д.

Рис 3. - Лазеры с встроенным брэгговским отражателем.

Для получения лазерного излучения с узкой спектральной линией используются лазеры с встроенным брэгговским отражателем (DBR и DFB лазеры), или с внешним резонатором.

Литература

1)Различные типы полупроводниковых лазеров [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://laser-portal.ru/content_508 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 30.11.2020);

2) Полупроводниковые лазеры [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://laser-portal.ru/content_507– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 30.11.2020);

3) Полупроводниковый лазер [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 30.11.2020).

 

Код для цитирования: Скопировать