Инжекционные лазеры

Стёкла и стеклянные волокна

На ряде редкоземельных элементов, таких, как Nd (неодим), Yb (иттербий), Ho (гольмий), Gd (гадолиний), также можно получить лазерный эффект, если их ввести в стекло. В этом случае, естественно, отсутствует упорядоченное и однородное окружение атомов, как в кристаллической решетке. В стекле окружение изменяется от атома к атому. Следовательно, энергетические уровни размываются и линии излучения уширяются. Поэтому пороговая мощность накачки по флуоресценции в стекле на тех же активных атомах выше, чем в кристаллической матрице.

Преимуществом лазеров на стекле являются их высокие оптические свойства. Достоинством их является также то, что генерация возникает в очень тонких стеклянных волокнах с активными атомами, окруженных пассивной стеклянной оболочкой с несколько меньшим показателем преломления, которая позволяет отводить тепло. В тонких волокнах возбуждаются поверхностные волны с определённым распределением поля.

В стекле, активированном ионами Cd³⁺, впервые были получены когерентные волны в ультрафиолетовой области спектра при l=0,3125 мкм. Для этого необходимы были охлаждение до 77 К и импульсный режим генерации. Возбуждение производилось поглощением излучения с длинами волн l = 0,274 мкм и l = 0,277 мкм.

Отличие электрона в атоме от электрона в кристалле: в атоме энергия электрона принимает определенные дискретные значения (электрон переходит с уровня на уровень). В кристалле рассматриваются энергетические зоны. Энергия электрона может принимать любое значение в пределах такой зоны. Энергетическая зона может быть полностью или неполностью заполнена элеткронами. Зоны заполняются в направлении от низких к более высоким значениям энергии. Чистый проводник две энергетические зоны: валентную и проводимости. Между ними находится т.н. запрещенная зона (1-3 эВ). При абсолютном нуле валентная зона полностью заполнена электронами, зона проводимости оказывается пустой. Тепловое возбуждение приводит к переходу электронов в зону проводимости. Отсутствие электронов в валентной зоне представляют как наличие в ней положительнозаряженных частиц - «дырок».

Полупроводники как рабочее вещество для лазеров привлекают к себе внимание, во-первых, возможностью создания лазеров в широком диапазоне длин волн – от далекой инфракрасной области до ультрафиолетового диапазона, во-вторых, возможностью достижения очень высокого КПД генераторов света, близкого к 100%. Обе эти возможности связаны с особенностями энергетического спектра в полупроводниках.

Полупроводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими зонами разрешенных энергетических состояний – валентной зоной и зоной проводимости. Эти разрешенные зоны отделены друг от друга запрешенной зоной. Ширина запрешенной зоны определяе электропроводность и оптическую прозрачность полупроводника. Электроны, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости играют роль носителей заряда и называются электронами проводимости. При перескоке электрона в зону проводимости в валентной зоне остается пустое место – "дырка", которая ведет себя как положительно заряженная частица. Перескок и образование электронно-дырочных пар может происходить при нагреве, под воздействием электромагнитного поля и при взаимодействии с квантами света. Одновременно с этим может происходить и обратный процесс: рекомбинация (спонтанная или вынужденная) электронно-дырочных пар, которая и сопровождается спонтанным или вынужденным излучением.

Предположим, полупроводник облучается светом такой частоты, что энергия фотонов приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Фотоны могут инициировать два типа переходов: из валентной зоны в зону проводимости (поглощение излучения), из зоны проводимости в валентную зону (вынужденное излучение). Возможно и самопроизвольное возвращение электронов в валентную зону - спонтанное излучение. Таким образом, основная задача: создать условия для преобладания излучения над поглощением. Это достигается при высокой концентрации электронов у дна зоны проводимости и у верхнего края валентной зоны.

В равновесном состоянии полупроводник способен только поглощать, но не усиливать свет. Если нарушить тепловое равновесие, чтобы заполнить дно зоны проводимости электронами, а потолок валентной зоны – дырками, то полупроводник приобретает способность усиливать световое излучение, т.к. его состояние будет характеризоваться инверсией населенности. Такое состояние называется вырожденным состоянием полупроводника.

В чистых полупроводниках создать одновременно вырождение электронов и дырок трудно. Для этого в полупроводники добавляют примеси веществ, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне. При легировании (добавлении примесей) меняются свойства проводников. Донорные примеси (например, теллур, селен) отдают в зону проводимости электроны – полупроводник n-типа и образуют уровни вблизи дна зоны проводимости в запрещенной зоне. Акцепторные примеси (цинк, кадмий) захватывают электроны из валентной зоны – полупроводник р-типа и образуют уровни вблизи верхнего края валентной зоны. Примесным атомам соответствует уровень внутри запрещенной зоны на небольшом (0,01 эВ) расстоянии от нижнего края зоны проводимости и верхнего края валентной зоны. Для создания инверсной населенности приводят в контакт два проводника разного типа. Область такого контакта - называют р-n переходом. Однако, инверсия населенностей будет существовать только в первый омент соединения. Для тоо, чтобы вновь создать инверсию населенностей с р-стороны прикладывают + напряжение и под действием электрического поля электроны инжектируются из n-области в р-область, а из р - дырки в n-область; в p-n области происходит рекомбинация, что может приводить к вынужденному излучению. Если неравновесными носителями являются электроны, то при рекомбинации они переходят из состояний у дна зоны проводимости или с донорного уровня, расположенного непосредственно под зоной проводимости, в состояние у верхнего края валентной зоны или на находящийся вблизи неё акцепторный уровень. В обоих случаях разность энергий, равная примерно энергетическому зазору между зонами, излучается в виде фотона. На взаимодействий полупроводников n- и p-типа работают инжекционные лазеры.

Р-область Неравновесные

электроны

n-область

Зона проводим. Активная

Уровень Ферми зона

Валентная

Зона

Дата добавления: 2015-06-27