XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В данной работе будет рассмотрен принцип работы, устройство, область применения и типы полупроводниковых лазеров.

Термин «лазер» появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, так широко он вошел в обиход. Появление лазеров - одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.

Лазер (1) (от англ.laser, акроним о lightamplificationbystimulatedemissionofradiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или оптический квантовый генератор— это устройство, преобразующее энергиюнакачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Полупроводник (2)— материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниковый лазер(3) — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучаемые переходы не между уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или около зон кристалла.

Рис.1- Лазер (оптический квантовый генератор).

Рис.2-Полупроводник.

Рис.3-Полупроводниковый лазер.

Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют другой принцип работы.

Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (4).

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 перемещаются в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости перемешиваются 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.

Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители появляются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутри зонные переходы.

Основными материалами для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств) являются (5):

GaAs (арсенид галлия)

AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)

GaP (фосфид галлия)

InGaP (фосфид галлия - индия)

GaN (нитрид галлия)

InGaAs (арсенид галлия - индия)

GaInNAs (арсенид - нитрид галлия индия)

InP (фосфид индия)

GaInP (фосфид галлия - индия)

Перечисленные полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Для трех и четырехкомпонентных проводников энергия запрещенной зоны может непрерывно существенно изменяться в некотором диапазоне. В AlGaAs = Al_xGa_1-xAs, например, повышение содержание алюминия (рост х) приводит к уширению запрещенной зоны.

Помимо вышеупомянутых неорганических полупроводников, могут также использоваться органические полупроводниковые соединения для полупроводниковых лазеров. Соответствующая технология еще молодая, но она бурно развивается, так как перспективы дешевого и массового производства таких лазеров весьма привлекательны. До сих пор были продемонстрированы органические полупроводниковые лазеры только с оптической накачкой, так как по разным причинам трудно достичь высокой эффективности за счет электрической накачки.

Рис.4- Процесс возникновения усиления в полупроводниках.

Рис.5- Основные материалы для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств).

Существует большое разнообразие различных полупроводниковых лазеров, охватывающих широкие области параметров и используемые в различных областях применений. Можно создать полупроводниковый лазер с практически любой длиной волны. Он будет находиться в диапазоне от ближнего УФ излучения до ближнего ИК излучения. Так же существует стандартный набор длин волн, лазеров, оптимизированный для различных применений.

*УФ-ультрафиолетовое излучение.

*ИК-инфракрасное излучение.

Т ипы 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. (Рис.6→)

• 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.

• 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. (Рис.7→)

• 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 газового анализа, для подсветки в среднем ИК диапазоне и т.д.

Д ля получения лазерного излучения с узкой спектральной линией используются лазеры с встроенным Брэгговским отражателем (DBR и DFB лазеры), или с внешним резонатором. (Рис.8→)

Литература

http://laser-portal.ru/content_508

http://laser-portal.ru/content_507

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

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#:~:text=%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%CC%81%D0%BA%20%E2%80%94%20%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%2C%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%83%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8,%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%BE%D0%B2%20%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80

Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г. Полупроводниковые лазеры. Москва: "Наука", 1976. – 416 с.

Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры: Учеб. пособие по спец. «Радиофизика и электроника». — Мн.: Университетское, 1988.— 304 с.

Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. - Москва: Мир, 1980. -540 с.

Материалы квантовой электроники : Учебное пособие для втузов / Н. Г. Рябцев ; Ред. Е. А. Верный . – М. : Советское радио, 1972 . – 384 с.

Код для цитирования: Скопировать