Большая Советская Энциклопедия.

Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер (далее П), полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым в качестве рабочего вещества. В П, в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами (см. Твердое тело). В П возбуждаются и излучают (коллективно) слагающие решетку. Это отличие определяет важную особенность П — малые размеры и компактность (объем ~10-6—10-2см3). В П удается получить показатель оптич. усиления до 104 см-1 (см. Усиления оптического показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

  Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решетки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как и , очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, , ) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

  Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего — состояние с инверсией населенностей.

  Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l " hc/DE, где h — Планка постоянная, с — скорость света.

  Инверсия населенностей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи ее дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи ее потолка Eu. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если  и  — квазиуровни для электронов и дырок, то условие инверсии населенностей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой:

> hn.

  Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.

  В П применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р—n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путем пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П первых двух типов.

  Инжекционные лазеры. Лазер на р—n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней ~20—40%). Инверсия населенностей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

  Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой () заключен между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р—n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р—р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П На р—n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П на р—n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

  П инжекционного типа (рис. 5) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт () в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (x1-x) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

  П с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией ~ 103—106 эв в рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П достигает 106 вт, что объясняется возможностью накачки большого объема полупроводника (рис. 6). П с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7). Техническое достоинство П с электронной накачкой — возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по что дает дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решетки то кпд ограничен (~1/3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE

  Полупроводниковые лазерные материалы. В П используются главным образом бинарные соединения типа А3В5, А2В6, А4В6 и их смеси — твердые растворы (см. табл.). Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется еще некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П, например др. твердые растворы. В твердых растворах величина DE зависит от состава, благодаря чему можно изготовить П на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

  Применение П: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне, логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8).

Полупроводниковые лазеры (Э — накачка электронным пучком; О — оптическая накачка; И — инжекционные лазеры; П — накачка пробоем в электрическом поле)

Полупроводник

Длина волны излучения, мкм

Максимальная рабочая температура, К

Способ накачки


1-xx

1-xx


0,32

0,37

0,32—0,49

0,46

0,49—0,53

0,53

0,49—0,68

0,68—0,69

0,79

77

77

77

77

300

77

77

77

77

Э

Э

Э

Э

Э, О, П

Э

Э, О

Э, О

Э


1-xx

x1-x

x1-x

lnP

x1-x

1-xx


0.59

0,62—0,9

0,62—0,9

0,60—0,91

0,83—0,90

0,90—0,91

0,85—3,1

0,90—3,1

3,1—3,2

5,1—5,3

77

300

300

77

450

77

300

77

77

100

Э, О

Э, О, И

О, И

О, И

Э, О, И, П

О, И, П

О, И

О, И

Э, О, И

Э, О, И


1-xx

x1-x

3,9—4,3

3,9—8,5

6,4—6,5

8,4—8,5

6,4—31,8

100

77

100

100

100

Э, И

О, И

Э, О, И

Э, О, И

Э, О, И


  Историческая справка. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р—n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П на впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р—n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П, были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачев, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании П с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

  Лит.: Басов Н. Г.. Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р—n-переходах вырожденных полупроводников, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1961, т. 40, в. 6; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, "Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4; Пилкун М., Инжекционные лазеры, "Успехи физических наук", 1969, т. 98, в. 2; Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, "Квантовая электроника", 1972, № 6 (12); Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения Инжекционных полупроводниковых лазеров, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 4.

  П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 17.08.2017 09:06:13


08:41 Ространснадзор обосновал необходимость установки видеокамер в самолетах
08:20 В сети поделились самыми бредовыми именами из списка контактов
07:24 Найдены создатели человека и животных
06:49 Порногигант предложил выкупить секс-видео с мамой школьного хулигана
06:26 В Саудовской Аравии умер второй принц с начала августа
03:42 Российские специалисты оценят ситуацию с вирусом Коксаки в Турции