лабораторная_диодный лазер (№11. Диодный лазер)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИМОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)Кафедра прикладной физикиИССЛЕДОВАНИЕХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРАЛабораторная работаСоставитель А.Ю. КлимчукМОСК ВАМФТИ2014УДК 621.382ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА: Лабораторная работа / сост.

А.Ю. Климчук − М.: МФТИ, 2014. − 21 с.Описание лабораторной работы предназначено для студентовстарших курсов технических вузов и аспирантов, специализирующихся вобласти исследований свойств инжекционных полупроводниковых лазеров.УДК 621.382© Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский физико-технический институт(государственный университет)», 20142СодержаниеВведение……………………………………………………………………….41.1 Спонтанное и вынужденное излучение………………………………...41.2 Принцип работы полупроводниковых лазеров………………………...51.3 Достаточное условие генерации………………………………………...91.4 Лазер на гомопереходе…………………………………………………111.5 Лазеры на двойном гетеропереходе…………………………………...131.6 Свойства диодных лазеров……………………………………………..141.7 Лазер с распределенной обратной связью…………………………….172.1 Экспериментальная установка…………………………………………182.2 Порядок выполнения работы…………………………………………..192.3 Контрольные вопросы………………………………………………….20Литература……………………………………………………………………213ВведениеОтличительной особенностью полупроводников, выделяющей их вотдельный класс материалов, является возможность управляемо изменятьтип их электропроводности.

При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно этаособенность привела к созданию p-n-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использование рассмотренныхпроцессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, позволило создатьновые класс приборов — полупроводниковые инжекционные лазеры.

Этиприборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которыхбазируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьмашироки — от простейших световых индикаторов до волоконнооптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре внесколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществамиполупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью — инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую.В настоящее время полупроводниковые лазеры используется также вмедицине, в высокоточном газоанализе и в качестве источников накачкидругих лазеров.1.Спонтанное и вынужденное излучениеКлючевым моментом для понимания работы любого лазера является процесс вынужденного излучения.

Для описания процессов поглощения и излучения рассмотрим двухуровневую систему некоторогоатома или молекулы данного вещества с энергиями соответственно E1 иE2 (Рис. 1). С точки зрения последующего рассмотрения это может бытьлюбая пара из неограниченного набора состояний, характерной для данной системы. Примем уровень Е1 за основной. Предположим, что первоначально атом находится на уровне 2. Поскольку E2>E1, то атом будетстремиться перейти в состояние 1.

В результате такого перехода атомдолжен выделить энергию равную разности E2-E1, называемую энергиейперехода. Когда эта энергия выделяется в виде электромагнитной волны,процесс называется спонтанным излучением (Рис. 1а). Отметим, что излучения фотона является для атома только одним из двух возможных способов перейти в основное состояние. Такой переход может произойти4также и без излучения фотона. В этом случае энергия перехода может перейти в кинетическую энергию окружающих атомов или молекул. Такойпроцесс называют безызлучательным переходом.Рис.

1 Схематическая иллюстрация трех процессов: (а) спонтанного излучения, (б) вынужденного излучения, (в) поглощенияПредположим теперь, что атом первоначально находится в состоянии 2, ипри этом на среду падает электромагнитная волна с частотой, равной частоте волны, которая испускалась бы при спонтанном переходе 2→1. Посколькучастоты этих двух волн одинаковы, оказывается, что существует конечная вероятность того, что падающая волна вызовет переход атома из состояния 2 в состояние1.

В этом случае энергия перехода выделится в виде электромагнитного перехода,которое добавится к падающему излучению Рис. 1б). В этом и заключается явление вынужденного излучения, иногда называемого также индуцированным излучением.Между процессами спонтанного и вынужденного излучения существуетпринципиальное различие.

В случае спонтанного излучения различные атомыиспускают электромагнитные волны, никак не связанные по фазе друг с другом.Более того, каждая из этих волн может быть испущена в любом направлении. Вслучае же вынужденного излучения, поскольку этот процесс вызывается падающей электромагнитной волной, волна, испущенная любым из атомов добавляетсяк падающей, имею одинаковую с ней фазу и распространяясь в том же направлении.Предположим теперь, что атом первоначально находится в состоянии 1.Если это состояние основное, то атом будет оставаться в нем до тех пор, пока непоявится какое-либо действующее на него внешнее возмущение.

Пусть на средупадает электромагнитная волна с частотой. В этом случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет в верхнее состояние 2 (Рис. 1в). Энергия, которая потребуется атому, чтобы осуществить переход, будет при этом заимствована их энергии падающей электромагнитной волны.

В этом заключаетсяпроцесс поглощения.2. Принцип работы полупроводниковых лазеров.Принцип действия полупроводниковых лазеров можно достаточнопросто объяснить с помощью Рис. 2, где изображены валентная зона и5зона проводимости полупроводника, разделенные энергетической щельюEg (запрещенная зона).Для простоты дляначала предположим, чтополупроводникнаходитсяпри температуре T=0К. Тогда для невырожденного полупроводника валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то времякак зона проводимости будетРис. 2 Принцип работы полупроводсовершенно пуста (см.

Рис.никового лазера2а, на котором энергетические состояния лежащие в заштрихованной области, полностью заполнены электронами). Предположим теперь, что некоторые электроны из валентной зоны перешли в зону проводимости посредством любого подходящего механизма накачки. Через очень короткое время (~1 пс) электроныв зоне проводимости переходят на самые нижние незанятые уровни этойзоны, тогда как электроны, находящиеся в верхней части валентной зоны,также переходят на самые нижние уровни валентной зоны, оставляя, таким образом, «дырки» в верхней части этой зоны (Рис. 2б).Далее для понимания процессов усиления в полупроводнике необходимо ввести понятия уровня (или энергии) Ферми.Согласно принципу Паули, в каждом квантовом состоянии можетнаходиться либо один электрон, либо ни одного.

Соответствующая формула называется распределением Ферми–Дирака или функцией Ферми:( )(1),()Здесь Т – абсолютная температура; — некий нормировочный параметр, имеющий размерность энергии и называемый химическим потенциалом (электрохимическим потенциалом, уровнем Ферми, энергией–23Ферми); k =1.38 ⋅10 Дж/К = постоянная Больцмана.В разных источниках приведены различные определения физического смысла распределения Ферми. Приведем здесь наиболее распространённые из них:1.

Это вероятность обнаружить электрон в квантовом состоянии сэнергией ( ) при температуре системы Т.2. Это среднее (по времени) число электронов в одном квантовомсостоянии с энергией ( ) при температуре системы Т.Данные определения с точки зрения статистической физики равноправны.6В статистической физике доказывается, что уровень Ферми обладает важным свойством. Если система находится в тепловом равновесии исостоит из нескольких подсистем, то все уровни Ферми, вычисленные длякаждой из подсистем, совпадают.Если же система состоит из электронов, обладающих отрицательным зарядом –е, и при этом между двумя подсистемами (телами) приложено внешнее напряжение V, то вся система энергетических уровней (иуровень Ферми в том числе) тела, связанного с плюсом источника напряжения, понижается, а вся система энергетических уровней (и уровеньФерми в том числе) другого тела — повышается.