Словарь (стр. 44 )

.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, лазер на основе полупроводникового кристалла. В отличие от лазеров др. типов, в П. л. используются излучательные квант. переходы между раз­решёнными энергетич. зонами, а не дискр. уровнями энергии (см. Полупро­водники). В полупроводниковой ак­тивной среде может достигаться очень большой показатель оптич. усиления (до 104 см-1), благодаря чему размеры активного элемента П. л. исключи­тельно малы (длина резонатора ~50 мкм — 1 мм). Помимо компакт­ности, особенностями П. л. явл. малая инерционность (~10-9 с), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор в-в для генерации в широком спектральном диапазоне от λ=0,3 мкм до 30 мкм (рис. 1). Активными ч-цами в П. л. служат избыточные (неравновесные) эл-ны проводимости и дырки, т. е. свободные носители заряда, к-рые мо­гут инжектироваться, диффундировать и дрейфовать в активной среде. Важ­нейшим способом накачки в П. л. явл. инжекция через p — n-переход или гетеропереход (см. Электронно-дыроч­ный переход), позволяющая осущест­вить непосредств. преобразование электрич. энергии в когерентное из­лучение (инжекционный ла­зер). Др. способами накачки служат электрич. пробой (напр., в т. н. стримерных лазерах), бомбардиров­ка эл-нами (П. л. с э л е к т р о н н о й н а к а ч к о й) и освещение (П. л. с о п т и ч. н а к а ч к о й). П. л. пред­ложены и др., впер­вые осуществлены на р — n-переходе в кристалле GaAs P. Холлом, (США) и др., с элект­ронной накачкой Басовым с сотр.

Рис. 1. Полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах, и спектральные диапазоны их излучения.

Оптич. усиление в полупроводниках возникает под действием интенсивной накачки при выполнении условий ин­версии населённости уровней вблизи

Рис. 2. Схема накачки (а) и зонная диаграм­ма (б) полупроводника, используемого в по­лупроводниковом лазере; ξ — энергия эл-на, р — квазиимпульс, ћω — энергия испус­каемого кванта.

дна ос в зоне проводимости и потолка оv в валентной зоне (рис. 2). При этом вероятность заполнения эл-нами верх­них рабочих уровней в разрешённой зоне (зоне проводимости) больше, чем нижних уровней (валентной зоны). В этом случае вынужденные излучат.

переходы преобладают над поглощат. переходами. Величина оптич. усиле­ния зависит не только от интенсивно­сти накачки, но и от др. факторов: вероятности излучательной рекомби­нации, внутр. квантового выхода из­лучения, темп-ры. В качестве лазер­ных материалов используются прямозонные полупроводники (напр., GaAs, CdS, PbS), в к-рых квант. выход излу­чения может достигать 100%. На непрямозонных полупроводниках (Ge, Si) пока не удаётся создать П. л. Раз­нообразие полупроводниковых лазер­ных материалов позволяет перекрыть широкий спектральный диапазон с по­мощью П. л. (табл. 1, 2).

л. представляет собой полупроводниковый диод, две плоскопараллельные грани к-рого, перпендикулярные плоскости p—n-перехода и гетероперехода, служат зер-

570

Табл. 1. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ

Табл. 2. ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ГЕТЕРОЛАЗЕРАХ

калами оптического резонатора (коэфф. отражения ~30%, рис. 3). Иногда при­меняются внеш. резонаторы. Инверсия заполнения достигается при большом прямом токе через диод за счёт инжекции избыточных носителей в слой, прилегающий к переходу. Генерация

Рис. 3. Вверху инжекционный лазер на р —n-переходе; вни­зу — образцы инжекционных полупровод­никовых лазеров.

когерентного излучения возникает в полосе краевой люминесценции, если оптич. усиление способно превзойти потери энергии, связанные с выводом излучения наружу, поглощением и рассеянием внутри резонатора. Ток, соответствующий началу генерации, наз. пороговым. Плотность порогового тока в инжекционных П. л. обычно ~1 к А/см2 (табл. 1).

Наибольшее распространение полу­чили П. л. на основе гетероструктур (гетеролазеры), они имеют наиболее низкие пороговые плот­ности тока при темп-рах 300 К. Гетеролазер содержит 2 гетероперехо­да, один типа p — n, инжектирую­щий эл-ны (эмиттер), и другой, типа p — p, ограничивающий диффузное растекание носителей заряда из ак­тивного слоя; активная область зак­лючена между ними. В т. н. п о л о с к о в ы х л а з е р а х активная область в форме узкой полоски шириной 1— 20 мкм протягивается вдоль оси резонатора от одного зер­кала к другому. Благодаря малым раз­мерам активной области пороговый ток полосковых гетеролазеров доста­точно мал (5—150 мА) для получения непрерывной генерации при T=300 К. Мощность излучения таких П, л. (~100 мВт) ограничена перегревом активной области. В коротких им­пульсах П. л. испускают большую мощность (до 100 Вт), к-рая ограниче­на оптич. разрушением торцевых гра­ней. Многоэлементные инжекционные П. л. создают в импульсе мощность до 10 кВт.

Полупроводники, из к-рых могут быть изготовлены гетеролазеры, при разл. хим. составе должны обладать одинаковым периодом крист. решётки. Используются многокомпонентные тв. растворы, среди к-рых можно найти непрерывные ряды в-в с постоянным периодом решётки (изопериодические системы). Напр., в гетеролазере на основе твёрдых растворов AlxGat-xAs гетероструктуру составляют слои (рис. 4): p(AlxGa1-xAs); p(GaAs); n(AlxGa1-xAs).

Рис. 4. Схема гетеролазера с двухсторонней гетероструктурой на основе AlGaAs (a) и его энергетич. диаграмма (б); ξс и ξv — края зоны проводимости и валентной зоны; ξэF и ξдF — энергии Ферми для эл-нов и дырок.

В П. л. с электронной накачкой ис­пользуются пучки быстрых эл-нов с энергией 104—105 эВ (как правило, меньшей порога образования радиа­ционных дефектов в кристалле). Избы­точные носители заряда образуются в результате ионизации при замедлении быстрых эл-нов. Глубина проникнове­ния эл-нов зависит от энергии и может достигать 10-2 см. П. л. этого типа, помимо активного элемента, содержат источник высокого напряжения, элек­тронную пушку и систему фокусиров­ки и управления пучком. Достоинство

Рис. 5. Полупроводниковые лазеры с элект­ронной накачкой в отпаянной трубке.