Теоретические основы квантовых приборов. Теоретические основы
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
4.5. Полупроводниковые лазеры В полупроводниках, как и в других гомогенных твердых телах, за счет очень сильного межатомного взаимодействия снимается вырождение уров- ней и они превращаются в широкие зоны. Каждая зона состоит из очень большого числа близкорасположенных энергетических уровней. Электроны являются фермионами и имеют спин 2 1 В соответствии с этим , согласно принципу Паули , каждый электрон может занимать только один уро - вень и их распределение по энерги - ям подчиняется статистике Ферми – Дирака ( ) ( ) [ ] { } 1 / exp 1 − − + = kT F E E f ,(83) где F – энергия уровня Ферми. В невырожденных полупро- водниках уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны, ши- рину которой будем обозначать з E . На рис. 50, а показано заполнение элек- тронами зоны проводимости C и валентной зоны V при абсолютной темпера- туре Т = 0. Все электроны располагаются в валентной зоне, и вещество явля- ется изолятором. Пусть каким-либо образом удалось перевести часть электронов в зону проводимости (рис. 50, б). Тогда электроны за счет взаимодействия быстро скатятся на дно зоны проводимости. Электронные газы в двух зонах незави- F V F C V C Е з F П В Е з ћω Е з F C V a б Рис. 50 75 симы друг от друга, поэтому в каждой зоне устанавливается независимое распределение Ферми (83) со своим квазиуровнем Ферми C F и V F : ( ) [ ] { } ( ) [ ] { } / exp 1 , / exp 1 1 1 − − − + = − + = kT F E f kT F E f C C V V (84) В такой системе под воздействием внешнего поля возможен переход элек - трона из зоны C в зону V с выделением энергии ћω в виде кванта света ( ин - дуцированное излучение ). Для усиления света в среде необходимо , чтобы число излученных квантов превышало число поглощенных Первое число пропорционально произведению вероятностей населенности верхнего уровня и отсутствия населенности нижнего ( ) V П f f − 1 , а второе , соответственно , пропорциональ - но ( ) C V f f − 1 Таким образом , мы получаем условие ( ) − − V C f f 1 ( ) 0 1 > − − C V f f , из чего следует V C f f > , и с учетом (82) з 1 2 E E E F F V C ≥ ω = − > − ℏ (85) Из этого вывода следует , что условие усиления (84) справедливо при любой температуре Для того чтобы получить ин - версию населенностей , нужно взять два куска полупроводника с силь - ным вырождением p- и n-областей , т е с сильным легированием ( ≈ 18 10 донорных или акцепторных атомов на 1 см 3 ). Заполнение их зон показано на рис . 51. Если их соединить в единый образец , получится p-n - переход ( рис . 52, a ). При этом во всем образце устанавливается термодинамическое равновесие и уровни Фер - ми в p- и n - областях совпадают , в результате чего возникает потенциальный барьер Получившийся полупроводниковый диод включают в прямом направлении , т е на переход подают электрический потенциал , компенси - рующий потенциальный барьер ( рис . 52, б ). В узкой зоне перехода в преде - лах запирающего слоя создается ситуация , проиллюстрированная рис . 50 , б и соответствующая инверсии населенностей В результате рекомбинации элек - тронов с дырками и излучения фотонов инверсия населенностей падает , но n - тип p - тип F V F C V F C Е з В Е з Е з C V Рис . 51 76 под влиянием внешнего напряжения в запирающий слой инжектируются но- вые электроны из проводника n-типа и дырки из проводника p-типа. Таким образом происходит прямое преобразование электрической энергии в энергию частиц на верхнем уровне, т. е. в инверсию населенностей. Поскольку з E F ≈ ∆ , рабочее напряжение на переходе для широко распро- страненного Ga-As-лазера составляет В 5 1 / з = ≈ e E U Конструктивно лазерный диод имеет обычно размеры 1 × 1 мм с толщи- ной запирающего слоя порядка 1 мкм. Две его рабочих поверхности полиру- ют, а остальные оставляют грубо обработанными, чтобы предотвратить гене- рацию в нежелательных направлениях. Поперечные размеры излучаемого светового пучка много больше толщины активной области, поэтому в таком диоде велики потери на поглощение и рассеяние. Световой пучок на выходе имеет расходимость порядка нескольких градусов Пороговая плотность тока лазера растет с увеличением рабочей темпе- ратуры как 3 T , поэтому такие лазерные диоды используются с охлаждением жидким азотом при температуре 77 К. Наиболее широко применяются Ga-As-лазеры с длиной волны 0.84 мкм. Выходная мощность их достигает нескольких ватт при общем КПД 30 %. Прорыва в широком использовании полупроводниковых лазеров уда- лось достичь после разработки лазеров с двойным гетеропереходом, которые работают при комнатных температурах. Их устройство схематически показа- но на рис. 53. Из всех переходов между различными материалами суще- ственную роль в процессе генерации лазерного излучения играют два пере- хода: Al x Ga 1– x As( p ) – GaAs и GaAs – Al x Ga 1 –x As( n ). Активная область, за- штрихованная на рисунке, представляет собой слой GaAs толщиной меньше Запирающий слой F C p n F V a n F C F V ∆ F = eU p б Рис. 52 77 1 мкм. Показатель преломления Al x Ga 1 -x As равен 3.4 (при x = 04 – относительной доли замещения атомов Ga атомами Al ), а для GaAs он составляет 3.6. Поэтому на их границе создаются условия для полного внутреннего отражения и из- лучение уже не выходит за пределы активной зоны, в результате чего резко падают потери излучения на поглощение и рассеяние в материале полупровод- ника. Кроме того, в этой конструкции уменьшена толщина активной зоны, а также улучшен теплоот- вод за счет приклеивания подложки к пластине из олова или алмаза. Эти усовершенствования позво- лили уменьшить плотность рабочих токов в 100 раз и довести ее до 3 10 А / см 2 при комнатной температуре Широко распространенные лазерные дио - ды имеют мощность до нескольких ватт при напряжении питания 2.5 … 3 В и токах потребления 0.1 … 5 А Сейчас такие лазерные диоды широко приме - няются в оптике и в системах хранения , считывания и передачи цифровой информации Еще одной очень важной областью применения диодных лазеров явля - ется использование их излучения для накачки твердотельных лазеров Клас - сическая архитектура твердотельных лазеров , рассмотренная в 4.4, основана на их накачке широкополосным излучением разрядных ламп Однако в этом случае значительная часть энергии излучения таких ламп не попадала в ра - бочие полосы поглощения лазерного кристалла , что снижало КПД системы и приводило к нагреву активного элемента Появление эффективных источни - ков монохроматического излучения , которыми являются диодные лазеры , позволило решить эту проблему путем так называемой селективной накачки , т е доставки в твердотельный активный элемент только « полезного » излу - чения накачки , что существенно повысило КПД таких лазеров и снизило не - продуктивный их нагрев Рис . 53 Золото GaAs Al x Ga 1–x As( p ) GaAs( p ) Al x Ga 1–x As( n ) GaAs( n ) Олово 78 Список рекомендованной литературы Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление. примене- ние / пер. с нем. Л. Н. Казанцевой. – М.: Техносфера, 2008. – 438 с. Звелто О. Принципы лазеров. – СПб.: Лань, 2008. – 720 с. Тарасов Л. В. Четырнадцать лекций о лазерах. 2-е изд., перераб. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. – 176 с. 79 ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................................................. 3 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА ................................................................. 5 1.1. Взаимодействие электромагнитного поля с веществом ...................... 5 1.2. Усиление света в среде ............................................................................ 9 1.3. Принцип действия лазера ...................................................................... 12 1.4. Энергетические соотношения в резонаторе ........................................ 15 1.5. Режимы работы лазера ........................................................................... 17 1.6. Форма и ширина линии излучения активной среды .......................... 20 2. ОТКРЫТЫЕ РЕЗОНАТОРЫ ....................................................................... 24 2.1. Типы резонаторов ................................................................................... 24 2.2. Конфокальный резонатор ...................................................................... 29 2.3. Гауссовские пучки света в резонаторе ................................................ 31 2.4. Частоты мод и потери в резонаторах ................................................... 34 3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЛИНЕЙНОГО ЛАЗЕРА ....................................... 38 3.1. Основные уравнения газового лазера .................................................. 38 3.2. Работа лазера у порога генерации ........................................................ 43 3.3. Эффекты насыщения в лазерах ............................................................. 47 3.4. Когерентность и монохроматичность излучения лазера ................... 51 4. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ .......................................................................................... 52 4.1. Методы возбуждения и классификация лазеров ................................ 52 4.2. Газовые лазеры ....................................................................................... 56 4.3. Молекулярные лазеры ........................................................................... 61 4.4. Твердотельные лазеры ........................................................................... 66 4.5. Полупроводниковые лазеры ................................................................. 74 Список рекомендованной литературы ............................................................ 78 80 Бурнашев Михаил Николаевич, Венедиктов Владимир Юрьевич, Филатов Юрий Владимирович Теоретические основы квантовых приборов Электронное учебное пособие Публикуется в авторской редакции Подписано в печать 20.12.12. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 5,0. Гарнитура «Times New Roman». Тираж 100 экз. Заказ 191. Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 |