Оптические квантовые генераторы - лазеры. Светоизлучающие диоды

Слово «лазер» образовалось из первых букв полного английского названия

«Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»,

что в переводе означает: «усиление света посредством индуцированного (вынужденного) излучения». Созданию лазеров предшествовало изобретение мазеров, усилителей микроволн, работающих также на принципе индуцированного излучения. Впервые понятие индуцированного излучения было введено в 1916 г. Эйнштейном. В обычных условиях, когда среда находится в термодинамическом равновесии, на каждом верхнем уровне находится меньше атомов, чем на нижнем. Можно искусственно получить термодинамически неравновесную среду. Такая среда называется активной или средой с инверсной заселенностью по отношению к нижним энергетическим уровням. Следовательно, для усиления световой волны необходимо, чтобы среда, в которой волна распространяется, была активной. Идея использования индуцированного излучения для усиления волны была впервые высказана в 1939 г. В.А.Фабрикантом. (В то время на идею Фабриканта не было обращено должного внимания). В активной среде молекулы и атомы находятся в возбужденных состояниях. За счет энергии возбуждения вторичные световые волны, излучаемые молекулами и атомами, усиливаются. Однако их фаза и поляризация остаются прежними. Поэтому остаются прежними поляризация и фаза и результирующей волны, возникающей в результате интерференции таких вторичных волн; усиливается только её амплитуда. Чтобы активное вещество превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Идея эта впервые была высказана в 1957 году А.М. Прохоровым и Н.Г.Басовым и независимо американцем Ч. Таунсом. Необходимо, чтобы часть излученного света все время находилось в зоне активного вещества и вызывала вынужденное излучение всё новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя параллельными зеркалами. Получается открытый резонатор, представляющий собой интерферометр Фабри-Перо, только заполненный активной средой. Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также его коллимировать и монохроматизировать. Чтобы лазер был генератором света, необходимо, чтобы усиление светового пучка в активной среде превосходило некоторое минимальное, пороговое, значение, т. е. число атомов на верхнем уровне в единице объёма активной среды должно превышать некоторое минимальное, пороговое, значение.

Первые квантовые генераторы света были созданы на рубине (1961 г.) и газовый лазер на гелий-неоне (1960 г.).

Лазер на рубине. Рубин – кристалл окиси алюминия Al₂O₃, в который добавлено небольшое количество атомов хрома Cr (0.05%), замещающих атомы алюминия. Ионы хрома играют основную роль в работе квантового генератора. Рубин - это диэлектрик с широкой запрещённой энергетической зоной между валентной зоной и зоной проводимости. Энергетические уровни хрома лежат в запрещенной зоне. На рис. 7 представлена энергетическая схема лазера на рубине.

Рис. 7. Энергетические линии рубина. Волнистой линией показаны

безизлучательные переходы.

Основным (невозбужденным) уровнем является уровень Е₁. При освещении кристалла рубина мощной вспышкой света (оптическая накачка) атомы хрома переходят из невозбужденного состояния в возбужденное, т.е. на энергетические уровни Е₃ и Е₄. Время жизни носителей на этих уровнях мало, 10^-8с, и они безизлучательно рекомбинируют на уровень Е₂, время жизни которого велико и равно 10^-3с. Создается инверсная заселенность уровня Е₂. При переходе носителей с этого уровня на основной уровень Е₁ излучается красный свет с длиной волны 694.3 нм. Рубину придают форму цилиндрического стержня диаметром 0.1 – 2 см и длиной 2-20 см. Концы стержня тщательно отполированы. Для освещения рубинового стержня применяют импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки. Наиболее распространенным является импульсный режим работы рубинового лазера, мощность в импульсе может достигать десятков кВт.

Из других твердотельных материалов, употребляемых в лазерах, надо упомянуть неодимовое стекло и флюорит кальция с небольшой примесью атомов редкоземельных элементов, ионами которых создается активность среды. Неодимовое стекло генерирует излучение с длиной волны 1.06 мкм, а флюорит кальция с диспрозием – 2.36 мкм.

Гелий-неоновый лазер. Первым газовым лазеромбыл гелий-неоновый лазер, созданный в конце 1960 г. Энергетическая схема лазера представлена на рис.8.

Рис. 8. Энергетическая схема гелий-неонового лазера.

Газоразрядная трубка наполнена смесью гелия (10 частей) и неона (1 часть). Концы трубка закрыты плоскопараллельными кварцевыми пластинками, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Генерация происходит за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника. Пропускают ток через гелий-неоновую смесь газов, электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний Е₂ и Е₃, которые являются метастабильными, переход в Е₀ запрещен квантово-механическими правилами отбора. Атомы накапливаются на уровнях Е₂ и Е₃. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, то энергия возбуждения переходит к нему. Процесс происходит быстро, т. к. уровни энергии неона и гелия практически совпадают. На уровнях Е₂ и Е₃ накапливаются носители, создается населенность, относительно уровней Р₁ и Р₂, идет генерация. Выходная мощность лазера в непрерывном режиме составляет от десяти до нескольких сот милливатт. Однако, в виду высокой монохроматичности и направленности излучения, эта величина все же достаточно большая по сравнению с тем, что могут дать тепловые источники света. Гелий-неоновый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Он генерирует красный свет с длиной волны 0.63 мкм, а также инфракрасное излучение с длинами волн 1.15 и 3.39 мкм. Типичный гелий-неоновый лазер имеет размеры: длина трубки 30…40 см и диаметр в несколько миллиметров; мощность излучения – 1…10 мВт.

Определённый интерес для оптоэлектроники представляют также газовые лазеры с аргоновым, криптоновым наполнением, а также СО₂ – лазер. В непрерывном режиме инфракрасный лазер на СО₂ может генерировать до 10 кВт на длине волны 10.6 мкм. Так, СО₂ – лазер мощностью до 1 кВт дает интенсивность излучения при диаметре пучка в 1 мм – 10⁶ Вт/см², при такой интенсивности плавятся металлы. Для сравнения, среднее значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет около 0.1 Вт/см².

Новым классом газовых лазеров являются эксимерные лазеры, в которых активной средой служат квазимолекулы, существующие только в возбужденном состоянии (эксимерные молекулы). Возбужденное состояние создается либо электронным пучком, либо с помощью разряда. Переходя в основное состояние, эксимерные молекулы испускают кванты УФ-излучения. Эти лазеры изготавливаются на димерах инертных газов, на окислах инертных газов. Длина волны излучения – 157 – 353 нм.

В настоящее время особое внимание уделяется полупроводниковым структурам, как источникам излучения. Светоизлучающие диоды и лазеры на полупроводниках находят большое применение, как источники некогерентного (светодиоды), так и когерентного излучения (лазеры). Последние активно применяются в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

В традиционной оптике излучение, возникающее при оптическом возбуждении, называется фотолюминесценцией, а при возбуждении быстрыми электронами – катодолюминесценцией. Однако наибольшее значение имеет метод, основанный на инжекции носителей через p-n- переход. В состоянии теплового равновесия между n-областью и p-областью полупроводникового кристалла возникает потенциальный барьер, высота которого изменяется при создании разности потенциалов между этими областями включением источника напряжения. Если p-область положительна, то величина барьера снижается, и тогда возникает поток электронов из n-области, где они были основными носителями заряда, в p-область, где они становятся неосновными и неравновесными. Этот процесс называется инжекцией. Появление избыточных неравновесных электронов в p-области ускоряет процесс рекомбинации и увеличивает интенсивность рекомбинационного излучения, которое естественно назвать инжекционной рекомбинацией. (Более подробно физические основы работы p-n-перехода рассмотрены в главе 3, п. 3. 3. 4).

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом. Создание структур с р-n- переходом позволило увеличить концентрацию инжектированных носителей, создать инверсную заселенность носителей заряда. Генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход. В полупроводниковом лазере роль резонатора Фабри-Перо выполняют параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола или полировки. Внутренняя квантовая эффективность этих структур достигает 30%. История развития полупроводниковых лазеров – это история борьбы за снижение порогового тока, тока, при котором начинается генерация излучения (рис. 9). В разработках ~ 1968 г. пороговый ток генерации составлял 4.3 кА/см², создание лазера на гетероструктуре позволило снизить пороговый ток до 900 А/см². Применение локализации объемной плотности состояний носителей заряда для инверсионной заселенности (квантовые ямы) позволило получить структуры с пороговым током 160 А/см². Выходная мощность в непрерывном режиме полупроводниковых лазеров на основе GaAs/AlGaAs составляет 0.15 – 0.25 мВт.

Рис. 9. Эволюция порогового тока полупроводниковых лазеров.

Таким образом, обязательным условием работы лазера являются:

Дата добавления: 2014-01-05