XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Лазер – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения.

Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.

Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель.

Рис. 1 [https://siblec.ru/telekommunikatsii/volokonno-opticheskie-sistemy-peredachi/3-istochniki-opticheskogo-izlucheniya-dlya-sistem-peredachi/3-3-lazery-konstruktsiya-printsip-dejstviya-osnovnye-elektricheskie-i-opticheskie-kharakteristiki]

В присутствии электромагнитного излучения (фотонов определенной энергии) с подходящей длиной волны в подходящем веществе (газе, жидкости, твердом теле, полупроводнике) могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов. При переходе между состояниями электронов с энергией Ev и Ес излучение имеет частоту.

Активная среда разработанного лазера — это гетероструктура с двумя гетеропереходами. Она состоит из пяти эпитаксиальных слоев, которые один за другим выращиваются на кремниевой подложке: самый нижний слой — слой германия с избытком электронов (n-типа), за ним идет слой сплава германий-олово тоже n-типа с возрастающей снизу вверх концентрацией олова, далее самый важный внутренний активный слой германий-олово и сверху еще два слоя соединения германий-олова с кремнием p-типа (с избытком дырок). Для создания омического контакта концентрация дырок в пятом слое больше, чем в четвертом. Рентгеноструктурный анализ и электронная просвечивающая микроскопия подтвердили, что выращенные гетероструктуры имеют именно такую конфигурацию.

В качестве резонатора физики использовали волновод гребенчатого типа, который изготовили методом жидкостного травления. В работе исследовались волноводы разных длин — 0,3, 0,5, 0,8 и 1,7 нанометров. После добавления контактных площадок, структуру помещали в криостат для дальнейших измерений при низких температурах.

Рис.2[https://antimrakobes.mirtesen.ru/blog/43794382844/Fiziki-razrabotali-lazer-na-geterostrukture-germaniy-olova-s-ele?utm_referrer=mirtesen.ru]

Зависимость пиковой мощности от плотности тока накачки для волновода длиной 0,8 миллиметра при разных температурах, (b) для разных длин волноводов при 77 кельвинах, (c) порог генерации для всех длин волноводов, (d) зависимость тока от напряжения при разных температурах для волновода 0,8 миллиметра

Полупроводниковые лазеры перекрывают спектральный диапазон от 0,3 мкм до  45 мкм (рис. 2).

В полупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптич. усиления (до  ), благодаря чему размеры полупроводниковых лазеров исключительно малы, напр. длина резонатора может составлять неск. мкм, типично - 200-300 мкм. Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются малая инерционность   высокий кпд  возможность плавной спектральной перестройки, большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне.

Мерой отклонения от равновесия концентрации носителей при квазиравновесии служит разность квазиуровней Ферми 

Вынужденные излучат. переходы преобладают над переходами с поглощением, если вероятность заполнения электронами верхних рабочих уровней превышает вероятность заполнения ими ниж. уровней. Это условие сводится к следующему неравенству:

где  - энергия ниж. состояния (в валентной зоне),   - энергия верх, состояния (в зоне проводимости); величина   представляет собой вероятность заполнения соответствующего состояния электроном. С учётом (2) для квазиравновеспя условие (3) может быть выражено в виде

и поскольку для межзонного перехода  то одноврем. выполняется условие

Рис. 3. Полосковый инжекционный лазер: а - общий вид в сборке; б - схема; в - сечение вблизи активной области (АО). [http://bourabai.ru/physics/2979.html]

Неравенство (5) является условием инверсии для межзонных переходов. Инверсия населённостей может быть получена и для переходов между зоной и примесным уровнем или примесными зонами в легиров. полупроводниках, и даже между дискретными уровнями примесного центра (напр., полупроводниковые лазеры на внутрицентровом переходе в InP, легированном Fe, работающий на длине волны 2,7 мкм при 2 К). Созданы также излучатели когерентного дальнего ИК-излучения, работающие при низкой температуре в режиме коротких импульсов на внутривенных переходах в скрещённых электрич. и магн. полях.

Состояние инверсии достигается благодаря действию интенсивной накачки и в случае межзонных переходов выполняется прежде всего для рабочих уровней, находящихся на самых краях обеих зон (в сильноле-гиров. полупроводниках - для уровней в "хвостах" зон, протягивающихся в номинально запрещённую зону). Это объясняет справедливость соотношения (1) для большинства лазеров, т. е. объясняет связь энергии фотона лазерного излучения с шириной запрещённой зоны излучающего полупроводника. Все факторы, оказывающие действие на ширину запрещённой зоны полупроводника (темп-pa, давление, магн. поле), влияют на длину волны лазерного излучения полупроводникового лазера и одноврем. на показатель преломления среды. Это позволяет осуществлять перестройку длины волны лазерного излучения, напр. для спектроскопич. целей. С др. стороны, для получения лазерного излучения на фиксиров. длине волны необходимо предпринимать меры для её стабилизации, поддерживая на пост. уровне температуру, ток накачки и т. п.

Условие инверсии может быть выполнено для фотонов в нек-рой спектральной полосе (рис. 4). Для получения эффекта лазерной генерации оптич. усиление должно компенсировать все потери потока фотонов в прело-лах лазерного резонатора, образуемого обычно собственно активной средой и зеркальными плоскостями.

В полупроводниковых лазерах применяются так называемые прямозонные полупроводники (рис. 5, а), в к-рых термализирующиеся носители обоих знаков приобретают примерно одинаковый квазиимпульс ,собираясь в соответствующих экстремумах своих зон и затем излучательно рекомбинируя с выполнением закона сохранения квазиимпульса (импульс фотона составляет относительно малую величину). В непрямозонных полупроводниках (рис. 5, 6) для рекомбинации носителей требуется участие др. частиц или квазичастиц (напр., фононов, обладающих соответствующим квазиимпульсом), что существенно снижает вероятность излучат. перехода. В результате излучат. переходы не могут конкурировать с безызлучательными. Для непрямозонных полупроводников (к ним относятся, в частности, Si, Ge, SiC, GaP и др.) характерна слабая межзонная люминесценция, в них не развивается усиление, достаточное для возникновения генерации на этих переходах. Попытки создания эфф. лазеров на непрямозонных полупроводниках остались безуспешными. Прямозонные полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах (рис. 1), относятся в осн. к трём группам соединений:  (первые две используются в инжекц. полупроводниковые лазеры). Кроме бинарных соединений, имеются многочисл. ряды изоморфных твёрдых растворов (на рис. 2 даны их сокращённые ф-лы: напр. GalnPAs означает где x и у - мольные доли соединений Ga и As, соответственно, составляющих многокомпонентную, в данном случае четырёхкомпонентную, смесь).

Литература

1)Лазер[Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://siblec.ru/telekommunikatsii/volokonno-opticheskie-sistemy-peredachi/3-istochniki-opticheskogo-izlucheniya-dlya-sistem-peredachi/3-3-lazery-konstruktsiya-printsip-dejstviya-osnovnye-elektricheskie-i-opticheskie-kharakteristiki – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 24.12.2020)

2) Активная среда разработанного лазера [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://antimrakobes.mirtesen.ru/blog/43794382844/Fiziki-razrabotali-lazer-na-geterostrukture-germaniy-olova-s-ele?utm_referrer=mirtesen.ru – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 24.12.2020)

3) Полупроводниковые лазеры. Влияние примесей на спектральные характеристики [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://bourabai.ru/physics/2979.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 24.12.2020)

Код для цитирования: Скопировать