|
|
РЕФЕРАТ. Реферат по дисциплине Квантовая и оптическая электроника Полупроводниковые лазеры характеристики и особенности, дгс лазеры, полосковые лазеры, лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
РЕФЕРАТ
по дисциплине:
«Квантовая и оптическая электроника»
«Полупроводниковые лазеры: характеристики и особенности, ДГС лазеры, полосковые лазеры, лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением»
Выполнил:
Подкидыш Шамиль Сергеевич
студент 3 курса, группы ЭНЭ-б-з-18-1
направления подготовки
«Электроника и наноэлектроника»,
заочной формы обучения
Проверил: ______________________
_________________ Е.А.Бондаренко
Оценка__________________
Ставрополь 2021
Содержание
Введение…………………………………………………………….…………3
1. Классификация лазеров …………………………………………………...5
2. Характеристики лазеров …………………...........................................7 3. Полупроводниковые лазеры ………………….…………………………..8
4. Разновидности полупроводниковых лазеров…………………………….14 Заключение…………………………………………………………………....20
Список использованной литературы………………………………………..23
Введение
Уже более полувека лазеры помогают человеку в физике, медицине, химии, самых разных производствах и даже в исследовании космоса. Их используют при маркировке товаров, при сложных операциях (например, при коррекции зрения, которая стала возможна только благодаря лазерам), в исследовании молекул и в измерении расстояний в космосе. И даже в массовой культуре и в быту! Посмотрите вокруг себя: календарь на стене, компакт-диск, бокал с красивой гравировкой - все это сделано с помощью лазера.
Лазерная указка, луч, разрезающий железо, и астрономический прибор, измеряющий расстояния до небесных тел - все они родственники, потому что работают с применением лазерной технологии.
Что такое лазерный луч? Это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, а может излучаться на дальние расстояния и возвращаться обратно. У лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит.
Первые шаги к этому великому изобретению XX века сделал легендарный ученый Альберт Эйнштейн. В 1917 году он провел исследования о вынужденном испускании света, которые позже легли в основу принципа работы лазеров.
Вторым ученым, сделавшим важный вклад в изобретение, стал наш соотечественник Валентин Фабрикант. Он открыл, что вынужденное испускание может усилить электромагнитное излучение про прохождении его через определенную среду.
Слово «лазер» (LASER) — аббревиатура английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, которое переводится как «усиление света вынужденным излучением». Первоначально это слово указывало на способ усиления света, но сегодня это название высококачественного оптического генератора, дающего излучение с определенной длиной волны. Как и всякий генератор, он состоит из усилителя и системы положительной обратной связи. Но впервые принцип лазера был применен не на световых, а на микроволнах. Это открытие тоже принадлежит нашим соотечественникам - советским физикам Николаю Басову и Александру Прохорову. Доклад о своем «молекулярном генераторе» они сделали в 1954 году. Еще два года спустя были созданы и презентованы первые установки и получен направленный пучок молекулярных волн. Технически это был еще не лазер, а мазер («microwave amplification by stimulated emission of radiation», но принцип его работы был тем же самым.
В основе работы, как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип, сформулированный в 1951 г. Валентином Фабрикантом. Его появление встретили как техническую революцию, новую эпоху в науке. Вначале лазер отнесли к квантовой радиофизике, а позднее стали называть квантовой электроникой. Однако, несмотря на то, что принципы работы уже были сформулированы, путь к созданию лазера занял еще шесть лет. Эти годы были наполнены поиском резонаторов для оптического диапазона и некоторыми другими исследованиями. В разработку оптического лазера также внесли большой вклад учёные Басов и Прохоров.
С 1954 по 1960 год ученые проводили опыты с волнами света в разной среде и с применением различных резонаторов. Наконец, в 1960 году появилась обстоятельная научная работа Николая Басова, Олега Крохина и Юрия Попова, в которой были рассмотрены принципы работы квантовых генераторов (первых лазерных установок) и выражалась надежда на то, что вскоре они будут сконструированы. Параллельно такую же углубленную работу над теорией и практикой создания лазера вели американцы.
Первые лазеры
Итак, к 60-м годам были заложены все теоретические основы работы лазеров, и ученым оставалось только одно - сконструировать рабочие модели. Это удалось американцу Теодору Мейману в 1960 году. Первый из его рабочих прототипов работал на рубине и выглядел как рубиновый кубик с размером граней в 1 см. Две из его сторон были покрыты серебром (они и играли роль резонатора). Свет излучала лампа-вспышка огромной мощности. Через небольшое отверстие в одной из «серебряных» граней рубина выходил тонкий красный луч. Это и был первый в мире луч лазера.
Начало было положено, и дальше разработка лазеров пошла огромными шагами. В том же году была сконструирована первая газовая лазерная установка, а год спустя лазеры появляются в каждой оптической лаборатории. Они изучаются, совершенствуются и находят всё новое применение. Следующим шагом стало создание полупроводниковых лазеров (1962-1963 год). Это стало началом новой эры в оптике и применения лазеров во всех сферах науки.
1. Классификация лазеров
Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.
Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.
Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.
Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
2. Характеристики лазеров
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, целина. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.
Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить ее длительность до 10-9с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.
Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10…15 угловых градусов.
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.
Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.
3. Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры. Прежде чем говорить о принципе работы полупроводникового лазера, напомним некоторые сведения о полупроводниках.
Энергетический спектр идеального полупроводникового кристалла (кристалл без дефектов и примесей) состоит из широких полос разрешенных состояний электронов — зоны проводимости и валентной зоны, разделенных зоной запрещенных состояний (запрещенная зона). В валентной зоне и зоне проводимости энергетические состояния электронов образуют практически непрерывный спектр.
В идеальном полупроводнике при T=0 К все электроны находятся в валентной зоне. Зона проводимости полностью свободна от электронов. В этом случае полупроводник не может проводить электрический ток и является изолятором. При не нулевой температуре часть электронов за счет теплового движения переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате такого перехода в валентной зоне появляются свободные места — дырки. Дырка эквивалентна частице с положительным зарядом.
В полупроводнике, у которого часть атомов исходного вещества замещена атомами других элементов (так называемый примесный полупроводник), кроме валентной зоны и зоны проводимости появляются дополнительные энергетические уровни, лежащие в пределах запрещенной зоны. Примеси и соответствующие им энергетические уровни делятся на донорные и акцепторные. Доноры — это примеси, энергетические уровни которых расположены близко к зоне проводимости (донорные уровни). Доноры легко отдают электроны в зону проводимости. Акцепторы — это примеси, энергетические уровни которых расположены ближе к валентной зоне. Акцепторы легко захватывают электроны из валентной зоны, оставляя там дырки. Энергетический спектр примесного полупроводника показан на рис.1. В зависимости от вида носителя заряда (электрон или дырка) полупроводники бывают двух типов: n-типа (носители заряда— электроны) и р-типа (носители заряда — дырки).
Рис. 1. Энергетический спектр и излучательные переходы в полупроводнике: Eg— ширина запрещенной зоны; I— зона проводимости: II — донорный уровень; III-акцепторный уровень; IV — валентная зона
Для того чтобы система могла излучать, ее необходимо привести в неравновесное состояние. А чтобы привести полупроводник в такое состояние, используют следующие способы: 1) облучение полупроводника внешним излучением достаточно высокой частоты (oптический метод возбуждения); 2) облучение полупроводника электронным пучком; 3) использование внешнего электрического поля. Переход к равновесному состоянию происходит благодаря рекомбинации. Энергия, освобождающаяся при рекомбинации, реализуется в виде одного из трех основных процессов: рождения фотона (излучательная, или фотонная рекомбинация), нагревания решетки, т. е. образования фононов (фононная рекомбинация) и увеличения кинетической энергии свободных носителей (безизлучательная рекомбинация).
Нас, естественно, будет интересовать только излучательная рекомбинация, которая в полупроводнике может происходить в результате межзонных переходов (стрелка 1 на рис.1.) и переходов из зоны на примесный уровень (стрелка 2) или через оба примесных уровня (стрелка 3).
Рис. 2. Принцип действия полупроводникового лазера
При определении условия образования инверсии заселенностей в полупроводнике для простоты рассмотрим идеальный полупроводник при температуре T=0 К. Заштрихованная область на рис.2,(а) соответствует полностью заполненным энергетическим состояниям. Предположим, что электроны каким-либо образом попадают из валентной зоны в зону проводимости. В этой зоне в течение очень небольшого интервала времени (около 10-13 с) электроны релаксируют на ее самый нижний уровень. Вблизи максимума валентной зоны электроны также переходят на самый нижний из незанятых уровней, заполняя таким образом максимум валентной зоны дырками. Это означает, что между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия заселенностей рис.2, (б). Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V (т.е. рекомбинировать с дыркой), то, поместив такой полупроводник в соответствующий резонатор, можно получить генерацию. Значит, наиболее подходящей активной средой для полупроводникового лазера будут вещества, у которых вероятность перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотона достаточно велика.
Первый полупроводниковый лазер был выполнен на арсениде галлия (GaAs) Холом в 1962 г. Этот лазер обладал очень большой вероятностью излучательной рекомбинации. Лазер на арсениде галлия (Х=0,84 мкм) относится к так называемым инжекционным лазерам на p-n-переходе. Обычно плавные р-n-переходы создают путем диффузии акцепторных примесей (цинк, кадмий и др.) в материал, легированный донорными примесями (теллур, селен и др.).
 
Рис.3. Схема устройства полупроводникового лазера (а) и распределение интенсивности излучения лазера в поперечном сечении (б)
Отличительной чертой всех полупроводниковых лазерных материалов, в том числе и арсенида галлия, является очень высокий по сравнению с другими лазерными материалами (кристаллы, стекла, жидкости, газы) коэффициент усиления электромагнитного излучения. Благодаря этому удается выполнить условие генерации для миниатюрных полупроводниковых образцов. Типичный лазер на арсениде галлия показан на рис.3,(а).Для получения генерации две противоположные поверхности полупроводника полируют и делают плоскопараллельными, а две другие оставляют грубо обработанными, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях. Обычно обе отражающие поверхности не имеют отражающих покрытий, так как показатель преломления полупроводника достаточно большой и отполированных торцов отражается примерно 35 % падающего излучения. Активная область представляет собой слой толщиной около 1мкм, т.е. немного больше запирающего слоя (примерно 0,2мкм). В свою очередь поперечные размеры лазерного пучка гораздо больше (около 40мкм) толщины активной области рис.3,(б). Следовательно, лазерный пучок занимает довольно большое пространство в р- и n- областях. Однако поскольку поперечные размеры пучка все же относительно невелики, выходное излучение имеет большую расходимость (несколько градусов).
Кроме лазера на арсениде галлия, применяются и другие типы полупроводниковых лазеров. Крупные успехи в разработке полупроводниковых лазеров связаны с появлением инжекционных лазеров на гетеропереходах. Так называют сложные p-n-структуры, состоящие из полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны.
На этом закончим рассмотрение различных типов лазеров. Мы обсудили лишь некоторые из наиболее широко используемых лазеров. В действительности же их число значительно больше. Для того чтобы проиллюстрировать это, на рис.4 показаны диапазоны длин волн, в которых получена генерация на лазерах различного типа. На этом рисунке указаны также области, где, имеется потенциальная возможность получения генерации. Следует заметить, что в общем случае указанные области не могут быть перекрыты непрерывным образом, исключая лазеры на красителях. Отметим также, что на основе лазеров, генерирующих на некоторой частоте, можно создать источники когерентного излучения и на других частотах, используя нелинейные оптические эффекты.
Рис. 4. Диаграммы длин волн генерации, перекрываемые действующими лазерами: I — возможная область генерации на вращательных переходах; II — возможная область генерации наколебательно-вращательных переходах; III—возможная область генерации на электронных переходах; IV — полупроводниковые лазеры; V— химические лазеры; VI — лазеры на красителях; VII — газовые лазеры; VIII — твердотельные лазеры
Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.
4. Разновидности полупроводниковых лазеров
Полосковые лазеры. Было исследовано большое число конструкций лазеров, выполненных на основе полосковой геометрии. Одной из наиболее эффективных оказалась мезаполосковая структура, представленная на рис. 5. Приборы этого типа позволяют реализовать одномодовый режим работы при пороговом токе менее 50 мА. Размеры структуры: ширина — 6 мкм, длина — 100 мкм, толщина активной области — 0,5 мкм. Однако пороговая плотность тока — 6 кА/см2 больше по сравнению с 1 кА/см2 для структуры с большей шириной.
Гетеролазеры с распределенной обратной связью. Наиболее эффективным способом формирования требуемой оптической обратной связи является использование обратного рассеяния Брэгга при периодическом изменении коэффициента преломления и (или) усиления в лазерном волноводе. Такие изменения (возмущения) могут быть получены за счет травления периодической рифленой структуры на границе между активным р-ОаАз-слоем и р-ОаА1Аз-слоем в односторонней гетероструктуре (рис. 6). Решетчатая структура получается за счет интерферометрической экспозиции фоторезиста на поверхности р ИаАэ с последующим полным травлением через полученный фоторезист и наращиванием слоя АЮаАэ. Период травления X выбирается из условия
где — длина волны излучения лазера в свободном пространстве; Р— постоянная распространения в волноводе; т = 1, 2, 3, ... — целое число; п — коэффициент преломления волноводного материала.
Рис. 5
Рис. 6
Длина волны излучения ОаАз/АЮаАз-лазеров при наличии распределенной обратной связи в решетчатой структуре изменяется приблизительно на 0,5 А/К из-за изменения коэффициента преломления в зависимости от температуры. Для гомолазеров с резонаторами Фабри—Перо изменения длины волны от температуры составляют величину 4 А/К и вызваны изменением ширины запрещенной зоны полупроводника. Из других особенностей лазеров с распределенной обратной связью следует отметить волновую селективность, возможность контроля продольных мод и хорошо сколлимированные выходные лучи.
В лазерах с распределенной обратной связью можно осуществить согласование оптических эффектов, обусловленных периодической структурой и резонаторами типа Фабри—Перо. Физический механизм такого согласования поясняется на рис. 7. По законам геометрической оптики лучи от выступов будут рассеиваться в фазе, если дополнительное расстояние X + Ь для лучей 1...4 при рассеивании от соседних выступов будет кратно длине волны света в материале (Х0/п)у т. е.
причем b отсчитывается от плоского фронта волны (ПФВ), а Л — период решетки Брэгга. Поскольку b = X sin 0, то
Если Х0/п = X, тогда 0 = 0 при т = 1, волновой фронт будет параллелен р—я переходу лазера и лучи будут ортогональны. При
Рис. 7
т = О решение (21.6) будет описывать рассеяние света в прямом направлении, а при т = 2 — в обратном направлении. Как прямая, так и обратные волны рассеиваются, распространяясь как выше, так и ниже рифленой поверхности. Возможные углы лучей в воздухе после отражений определяются из соотношения
где Ф — угол волнового фронта, измеренный относительно нормали. Поскольку sin Ф < 1 и п = 3,6 для GaAs и AlGaAs, во внешнем пространстве будут видны только лучи внутри конуса с углом 16°. Оптимальное расположение поверхности рифления при распределенной обратной связи ортогонально переходу и определяется соотношением
Формула (21.8) определяет брэгговское рассеяние порядка 2р в структуре с распределенной обратной связью. При р = 1 существует только излучательная мода, нормальная к плоскости рифления. Величина расходимости выходного луча вдоль направления рифления 0,35° и может быть вычислена по формуле (21.7). Дифференцируя это выражение, получаем
При ДА. = 6 А угол расходимости составляет 0,21°. Расчеты показывают, что расходимость в ортогональном плоскости рифления направлении составляет 10°. Это хорошо согласуется с измеряемой диаграммой направленности в дальней зоне. Выходное излучение полностью поляризовано (вектор электрического поля волны параллелен плоскости рифления). Уровень безизлучательной рекомбинации в переходной области достаточно высок даже при получении рифления травлением. Поэтому часто используют структуру с разделением активной и волноводной областей (рис. 8).
Для уменьшения рабочего тока в ДГС-лазерах необходимо уменьшать толщину активной области с/ (см. рис. 21.8).
Однако, если размер активной области становится меньше длины волны, в ней резко возрастают оптические потери,
Рис. 8
обусловленные просачиванием света в соседние с активной низкоомные области и ухудшением волноводных свойств активной среды. Чтобы снизить влияние этих эффектов, необходимо разделить области электронного и оптического ограничения. На рис. 8 сверхтонкий активный слой р-ваАв толщиной й <& X размещается внутри более толстых слоев.
При подаче прямого напряжения электроны и дырки из широкозонных п и р областей инжектируются в прилегающие к ним области, так же, как это происходит в обычной ДГС-структуре. Профили изменения концентрации в р областях подбираются таким образом, чтобы основная доля инжектированных носителей, создающих инверсию населенностей, была сосредоточена внутри слоя р ваАв, а оптический волновод формируется на границах р-СаАя и р-ваА! Ав.
На рис. 8 области преимущественного распространения света обозначены светлыми полосками рядом с р-ОаАв.
В современных лазерах с раздельным оптическим и электронным ограничением активная область, где происходят накопление и излучательная рекомбинация неравновесных электронов и дырок, представляет собой квантоворазмерные структуры, в которых функция плотности энергетических состояний имеет ступенчатый вид, что уменьшает тепловое размытие в распределении носителей по энергии и облегчает достижение инверсной населенности. Максимальный коэффициент усиления возрастает, а температурная зависимость пороговой плотности ослабевает.
Для формирования квантоворазмерных структур слои должны быть тонкими, причем каждая из областей п- и р-гетероструктуры на рис. 8 является слоистой с различной концентрацией и различными соотношениями примесей А1 и Иа.
Необходимость изготовления сверхтонких слоев ( 0,01...0,1... 1,0 мкм) для создания активных структур в лазерах с раздельным ограничением тока накачки и излучаемого света предъявляет очень высокие требования к технологии изготовления и к контрольно-измерительной технике. По сути дела, необходимо контролировать структуры с точностью до одного атомного слоя. Технологии, позволяющие реализовать такие параметры, называются нанотехнологиями.
В заключение отметим, что использование квантоворазмерных структур в активной области ДГС-лазеров с раздельным ограничением дает возможность: уменьшить пороговую плотность тока накачки, ослабить влияние температуры, увеличить коэффициент усиления активной среды на единицу длины, улучшить спектральные характеристики.
|
Заключение
Несмотря на то, что лазер изобретен больше полувека назад, он все еще совершенствуется и продолжает находить новые применения. Сейчас ведутся разработки новых лазерных инструментов для медицины и изучается возможность применения лазерных лучей в реакции термоядерного синтеза. Термоядерный синтез - способ получения энергии, аналогичный тому, как она образуется Солнцем и другими звездами. Если будет разработана надежная технология бесперебойного термоядерного синтеза, человечество навсегда забудет о дефиците энергии. Лазеры призваны сыграть в этом открытии заметную роль.
Еще один интересный аспект - лазерное оружие. Его разработки ведутся уже много лет и даже существуют рабочие прототипы - например, ручные лазерные пистолеты ЛК, созданные в Советском Союзе для космической отрасли. Главной проблемой таких пистолетов до сих пор остается батарея: нельзя подобрать настолько мощный источник питания, чтобы лучевой пистолет был компактным и не слишком тяжелым. Сейчас к разработкам боевого оружия, способного поражать цель мощным лазерным лучом, ближе всего подошли американские ученые.
Велись и разработки мощных лазерных установок ПВО, чтобы сбивать лучами самолеты и беспилотники противника. Сейчас проект продолжается, но переориентирован: лазерные системы ПВО тестируются, чтобы препятствовать наблюдениям из космоса.
Есть травматическое лазерное оружие с лучами малой мощности, но большой яркости. Оно способно временно ослепить человека. В России, например, такие устройства называются «Поток» и официально приняты на вооружение МВД. Более мощные лазеры, которые могут нанести серьезную травму зрению, запрещены Международным правом.
Маломощные лазеры также используются в современном оружии для точности наведения. «Красная точка», по которой герой фильма понимает, что его взял на мушку снайпер - не что иное, как луч лазера.
Несмотря на такое множество применений в боевых условиях, лазер остается прежде всего мирным орудием и гораздо шире применяется в медицине, физике и других науках.
Технология полупроводниковых приборов представляет собой сложный комплекс процессов, каждый из которых является самостоятельным и весьма важным научным направлением. Это механические, химические, электрохимические, термохимические, термофизические, металлургические, кристаллизационные процессы.
Наиболее характерными чертами современной полупроводниковой электроники является рост сложности приборов и уменьшение геометрических размеров элементов структур. На одной полупроводниковой пластине диаметром 50-75 мм формируется около тысячи приборов.
Активным элементом в полупроводниковых лазерах служит арсенид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия и др. полупроводниковые материалы. Несмотря на то, что полупроводники являются одной из разновидностей кристаллических материалов, полупроводниковые лазеры обычно выделяют в отдельную группу вследствие их специфических свойств. Это, прежде всего, простота возбуждения (накачки) - большинство полупроводниковых лазеров работают при пропускании через них электрического тока. Рабочей частью таких инжекционных полупроводниковых лазеров достаточно тонкий промежуточный слой между двумя областями с электронной и дырочной проводимостью - так называемый p-n-переход, то есть их конструкция практически ничем не отличается от конструкции известного плоскостного полупроводникового диода.
Активным элементом в полупроводниковых лазерах служит арсенид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия и др. полупроводниковые материалы. Несмотря на то, что полупроводники являются одной из разновидностей кристаллических материалов, полупроводниковые лазеры обычно выделяют в отдельную группу вследствие их специфических свойств. Это, прежде всего, простота возбуждения (накачки) - большинство полупроводниковых лазеров работают при пропускании через них электрического тока. Рабочей частью таких инжекционных полупроводниковых лазеров достаточно тонкий промежуточный слой между двумя областями с электронной и дырочной проводимостью - так называемый p-n-переход, то есть их конструкция практически ничем не отличается от конструкции известного плоскостного полупроводникового диода.
Список использованной литературы
1. Давыдов, В.Н. Физические основы оптоэлектроники : учебное пособие / В.Н. Давыдов ; Министерство образования и науки Российской Федерации. - Томск : ТУСУР, 2016. - 139 с. : ил.,табл., схем. - Библиогр. в кн. ; - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=480763
2. Квантовые и оптические процессы в твердых телах: теория и практика : учебное пособие / Н.Н. Безрядин, А.В. Линник, Ю.В. Сыноров и др. ; Министерство образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» ; науч. ред. Н.Н. Безрядин. - Воронеж : Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2015. - 153 с. : ил. ; То же - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=336036
3. Айхлер, Ю. Лазеры. Исполнение, управление, применение / Ю. Айхлер, Г.-И. Айхлер ; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой. – М. : Техносфера, 2008. – 440 с. – (Мир физики и техники). – ISBN 978-5-94836-167-3;
4. Пихтин, А. Н. Оптическая и квантовая электроника : учебник для вузов / А. Н. Пихтин. – М. : Высш. шк., 2001. – 573 с. : ил. – Библиогр.: с. 571. – ISBN 5-06-002703-1;
5. Янг, М. Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы / Матт Янг ; под ред. В. В. Михайлина ; пер. с англ. Н. А. Липуновой, О. К. Нания, В. В. Стратонович. – М. : Мир, 2005. – 542 с. : ил. – ISBN 5-03-003457-9(русск.). – ISBN 3-540-65741-X(англ.).
6. Смыслов И. Боевые лазеры уже испытываются / И. смыслов // Независимое военное обозрение. - 2014. - №14. - С. 24-27
7. Дудкин В. И. Квантовая электроника: приборы и их применение : учеб. пособие / В.И. Дудкин, Л.Н. Пахомов - М., 2006 - С. 432
8. Крюкова И. Физические процессы в полупроводниковых импульсных лазерах с накачкой электронными пучками - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана - 2009 - С.448
9. Тарасов Л. Физика лазера - M.: Леонард - 2014. - С. 535
|
|
|
Скачать 266.95 Kb.