Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 113
Текст из файла (страница 113)
Сфокусированный поток закого излучения обладает гигантской плотностью мощности, способной разрушить любые материыьь м Такие лазерные импульсы получили название гигантских (- 1О ' Вт и более), а конструкции получили название лазеров с модулированной добротностью. 1игантские импульсы можно увеличить по мощности, используя каскад лазерных усилителей.
Такая мощность превосходит мощность самых болыиих электростанций мира. Вторым типом твердотельных квантовых генераторов был лазер на стекле, актианрованном ионами неодима )Чс! ' '. В настоящее время это один из наиболее распространенных типов лазеров благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных активных лазерных элементов. Это позволяет изготавливать активные элементы очень больших размеров (-!0 см) и снимать значительную энергюо (- 1О Дж]. Однако стекла имею~ плохую теплопроводность и требуют применения эффективных систем охлаждения. Лазеры на неодимовых стеклах работают по четырехуровневой схеме и излучаю~ на основной длине волны 1,06 мкм, а также могут излучать на длине волны 1,32 мкм. Это ближний инфракрасный диапазон.
В режиме свободной генерации длительность импульи сов излучения составляет 0,1 10,0 мс. Мощность достигает значений 1О Вт в режиме модулированной добротности и согласования мод. Помимо неодима получили распространение лазеры, активный элемент которых активиРован ионами Ег, Тп ', По '(эрбий, тулий, гольмий). Среди лазерных крис~аллое, легированных неодимом, наибольшее распространение получил кристалл алюмоитгриевого граната У,А1,0„с атомарной копцеьпрацией )чс) ' до 1% по отношению к итгрию. Другим распространенным активным элементом твердотельных лазеров является ортоалюминат изтрия УА!Оз, Он также легнруется ионами неоднма.
Определенный интерес для создания миниатюрных твердотельных лазеров представляют монокристаллы двойного галлий-гадолиниевого вольфрама (КГВ), легированные неодимом, а также гелий-скаидийчадолиний гранат (ГСГ'), легированные либо хромом, либо неодимом. К настоящему времени эффею стимулированного излучения обнаружен более чем у 250 кристаллов с примесью ионов переходных групп (Ьц), Еи, Но, Ег, Тп, уб). Часть Ш. Квантовая и оптическая электрона~ З.1.2. Полупроводниковые лазеры ))ояупровсдапковый,затер представляет собой лазер на основе полупроводниковой акти . ной среды, в которой используются квантовые переходы между разрешенными энергещ. ческими зонами.
Это о~личает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используются квантовые перехолы между дискретными уровнями энергии. В соответспзии с зонной теорией полупроводников при поглощении фотона, энергия кого. рого больше ширины запрещенной зоны Еа происходит переброс электрона из валентнон зоны Е,, в зону проводимости Е, (рис. 3.2, а). При этом в валентной зоне образуется дырка а) б) е) Рис. 3.2.
процесс взаимодействия попупроводника с квантами света: в — образование электронно-дырочной пары, б — спонтанная рекомбинация. сопровождаемая излучением фотона; е — вынужденная рексмбинвция электрона и дырки Одновременно с генерацией электронно-дыро«ных пар в полупроводнике происходит процесс спонтанного излучения(рис. 3.2, б). В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (рис. 3.2, в). Для создания условий усиления света необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие, С этой целью увеличивается концентрация электронов вблизи дна зоны проводимости и дырок около потолка валеит- ной зоны, Обозначим наивысший уровень энергии, до которого электрон плотно заполняет зону проводимости, величиной р,.
Чем больше электронов упаковано в дно зоны проводимо сти, тем выше этот уровень )з,. Аналогично в валентной зоне существует уровень ря Если одновременно вырождень' электроны и дырки, то й цк — Ек. (3.1) 11ри таких условиях электроны могут рекомбинировать только с теми дырками, котор .
то ые имосгн лежат ниже цк В свою очеРедь электРоны могУт быть забРошены в зонУ пРовод™~ ованы только на уровни выше цн потому как остальные уровни уже плотно усанов (рис. 3.2, е). При этом случае возможны переходы в интервале частот р. -цк=Ь,„,„ или )и — Е„= Ек = )зц „. 3, Типы лазеров 539 В этом случае полупроводник люжст усиливать н генерировать свет в полого часто~ Лко = окь, — ок„„ Если поместить такой полупроволник в резонатор Фабри — Перо н создать положительную обратную связь, то прн каждом прохоле резонатора и полупроводнике полоса частот будет сужаться. Дело в том, что усиление в полосе частот Ло неодинаково.
Существует частота максимального усиления, которая ле'кит в лиапазоне Лу и именно на ней происходит максимальное усиление и формируется монахроматическое излучение. Зависимость энергии электронов проводимости вблизи дна зоны проводимости и энергии дырок вблизи потолка валентной зоны от величины импульса р имеет вид парабол (рис. 3.3), т. е., соответственно !) Е,= —,, 2ггг* Е Р 2т Рис.
З.З. Зависимость зиергии зпвктроиов проводимости и дырок от их импульсов: в — дпя прямого перехода; б — дпя непрямого перехода Величина пг" обозначает эффективную массу электронов и дырок, которая существенно зависит от структуры кристалла. Расстояние мехгду вершинамн парабол равно ширине запрещенной зоны Ех Различают прялгьге и ггеггдяпгьге переходы.
Если рскомбинация электронно-дыро1ной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимое~и на незагюлненный уровень в валентной зоне называется прямылг. Если рекомбинания электронно-дырочнай пары сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход называется пкпрлиым. В этом случае колебания решетки погло|лают часть импульса Лр и, соответственно, и энергикз ЛЕ. В этом случае уравнение инверсии населенностей для невырожденного электроннолырочнога газа записывается в виде Н, - йк = Ек ° ЛЕ.
Часть!П. Квантовая и оптическая электроник Создать в чистых полупроводниках состояние с одновременным вырождением электр „ нов и дырок трудно. Обычно используют два полупроводника и- и р-типов, в каждом „ которых эле роны и дырки вырожд ы В Р--и- ереходе может выло- няться условие инверсии населенностей ц, — ря > Ех только при условии прямого напряжения. Через р — и-переход потекут токи, состоящие из электронов и дырок.
В тонком ело р- — и-перехода они рекомбинируют, излучая фотоны ко=Ел<и,— р„ Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в р — и-переходе концентра. цию, достаточную для условия вырождения электронов и дырок трис. 3.4). а) Рис. 3.4. энергетические диаграммы р — и-перехода в полажение равновесия 1а) и при припажении напряжения(б) Чем выше электрическое поле в р — п-переходе, тем больший ток протекает чер~~ р — -и-переход. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает по глошение, называется пороговым. На пороге генерации должно выполняться условие к))> 1, где к — коэффициент усиления на длине активной среды между зеркалами, )г — коэт ффициент отражения зеркал резонатора.
11ри токе выше порогового р — л-переход являсгс езся усиливающей средой. Введя положительную обратную связь в виде резонатора, из усиди толя света можно получить генератор. В качестве резонатора используются глалкие гр г ани полупроводникового кристалла. тся Волугзроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осушествля ол чил в результате инжекции носителей заряда через электронно-дыро шый переход, полу название ггггэксклггогггггмо лазера.
вален Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют получить высокую напр~ ся элекность излучения. Состояние инверсии населенности уровней мажет достигаться тронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле. 5, Тилылаверов ь!атглучшигй зффелт генерации получен на прямоугольных полупроводниках, среди кото- 3 ь ~ т рых ряды изоморфных твердых растворов типа А В, А'В, А'В, А В' и т. п. рсооый интерес вызывают материалы, составляющие изопсриодичсскпе пары. Это крп- таллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но „гмсгощие одинаковый период крнсгачлической решетки.
С нх помощью методами элек„ронно-лучевой эпитаксии выращиваются бездефектные гстеропереходы. Широкое распространение получили гетеролазсры, сформированные на основе гетеросч руктур. Волупроводннковый лазер, в котором генерация когеренмюго излучения осуществляется в резуль~ате излучагельной рекомбинации в гетероструктуре, полу шл название еслтеро,газсра.
Наиболее эффективными оказались полунроволники типа ЛтВ с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Наилучшими паралгетрами обладает гетеролазср на основе двойной гетероструктуры )Д! С) с активным слоем нз узкозониого полупроводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению областей инверсной заселенности и светового поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
