Transcript saidov lazarev 2

Полупроводниковые
лазеры
Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковым лазером называют
оптоэлектронное устройство ,
генерирующее когерентное излучение
при пропускание через него
электрического тока.

Генерация стимулированного
когерентного излучения, или лазерный
эффект , была разработана для газовых
лазеров и хорошо описана с
использованием представления об
электронных уровнях атомных системах.

Рассмотрим два энергетических уровня
Е1 и Е2, один из которых Е2
характеризует основное , а другой Е1 –
возбужденное состояние .

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 ).

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).
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 nобласти в зону проводимости.
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.
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.


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-YAGлазеров 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.