Файл: Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике.pdf

Рис. 5. ПКГ с электронным возбуждением:

80% мощности падающего пучка идет на возбуждение лазера, осталь­ ная часть падающих электронов рас­ сеивается обратно. Больше полови­ ны мощности возбуждения (~60% ) тратится на нагревание полупровод­ никового кристалла. Поэтому вели­ чина к.п.д. лазеров с электрон­ ным возбуждением не может быть выше 30 %.

Как следует из расчетов, для образования одной электронно-дырочной пары возбуждающий электрон

должен обладать энергией, примерно в три раза большей, чем ширина запрещенной зоны. Таким образом, быстрый электрон с энергией в несколько килоэлектронвольт со­ здает примерно 103 свободных электронов и дырок. Ро­ дившиеся электроны и дырки отдают избыточную энер­ гию атомам решетки и переходят на более низкие уровни энергии. При этом образуется слой вещества с инверсной заселенностью, толщина которого зависит от энергии падающих электронов и может доходить до 20 мкм. До­ вольно большая глубина проникновения быстрых элект­ ронов дает возможность возбуждать значительные объе­ мы вещества и получать мощность излучения ~ 10 кет. Однако существует некоторая критическая энергия воз­ буждения, начиная с которой быстрые электроны разру­ шают кристаллическую решетку — создают дефекты в полупроводнике. Критическая энергия составляет обыч­ но несколько сотен килоэлектронвольт.

Первый ПКГ с электронным возбуждением на суль­ фиде кадмия CdS работал только при гелиевых темпера­ турах (рис. 5). Длительность импульсов электронного пучка доводилась до 2 мксек, чтобы снизить нагрев кри­ сталла в течение импульса накачки. Сейчас уже имеются ПКГ с электронным возбуждением, работающие при комнатной температуре не только в вакууме, но и на воз­ духе при атмосферном давлении.

С помощью полупроводниковых лазеров, возбуждае­ мых быстрыми электронами, перекрывается очень широ­ кий диапазон длин волн — от инфракрасной области до ультрафиолетовой (табл. 2). Направленность и монохро­ матичность их излучения удается повысить, используя в качестве одного из зеркал резонатора внешнее зеркало, удаленное от кристалла. Роль другого зеркала выполня­ ет сам излучающий полупроводниковый кристалл, при этом линейные размеры кристалла во много раз могут превышать его толщину. Лазеры с такой структурой по­ лучили название лазеров типа «излучающее зеркало» (рис. 6). Чтобы с «зеркала» снять мощность около 100 кет, надо применять специальные меры для подавле­ ния света, распространяющегося вдоль полупроводнико­ вой пластины. Один из путей — использование многоэле-

Рпс. 6. Полупроводниковый лазер типа «излучающее зеркало»: 1 — пучок быстрых электронов; 2 — полупроводниковая пластина; 3 — полупрозрачное зеркало; 4 — генерируемое излучение

20

ментных структур. Электронный пучок легко сканируется по элементам «зеркала», что открывает большие возмож­ ности применения таких ПКГ.

Оптическая накачка полупрозсдников

Как и возбуждение электронным пучком, оптический способ накачки удобен для исследования природы лазер­ ных переходов и выяснения возможности получения гене­ рации излучения в новых полупроводниковых материа­ лах. Однако при оптической накачке для каждого полу­ проводника необходимо подбирать свою длину волны возбуждающего света. Поглощение полупроводника сильно возрастает с увеличением энергии светового кван­ та выше ширины запрещенной зоны. Поэтому в случае, когда энергия возбуждающих квантов заметно отличает­ ся от ширины запрещенной зоны, активная среда с ин­ версной заселенностью образуется лишь в узком слое толщиной в несколько микрон вблизи границы образца (рис. 7). В качестве источника возбуждения полупровод­ ников можно использовать излучение оптических кван­ товых генераторов других типов.

Этим методом в СССР в 1965 году была получена генерация на чистых кристаллах GaAs. Источником на­ качки служил рубиновый лазер с модулированной доб­ ротностью. Для того чтобы приблизить энергию возбуж­ дающих квантов к ширине запрещенной зоны полупро­ водника, монохроматическое излучение рубинового лазера пропускалось через жидкий азот. В результате вынужденного комбинационного рассеяния частота света уменьшалась. Для ПКГ удалось получить значительную выходную мощность — более 100 кет в импульсе.

Полупроводниковые лазеры с монохроматической оп­ тической накачкой могут иметь к.п.д. около 50% в слу­ чае, если частота возбуждающего света близка к часто­ те генерации полупроводника. С помощью постоянно

21

Рис. 7. Схема ПКГ с оптической накачкой: 1 — хладопровод; 2 — кристалл; 3 — генерируемое излучение; 4 — излучение накачки

действующих источников излучения осуществляется не­ прерывный режим работы ПКГ с оптическим возбужде­ нием.

Кроме однофотонного метода накачки применяют также двухфотонное возбуждение. В этом случае энергия возбуждающих квантов меньше ширины запрещенной зоны. Но при большой интенсивности света такие кванты поглощаются в объеме полупроводника парами, что эквивалетно поглощению одного кванта с энергией, рав­ ной сумме энергий двух падающих квантов. При этом возбуждается довольно толстый слой кристалла (до 1 мм). Однако по сравнению с однофотонным возбужде­ нием при двухфотонной накачке требуются гораздо более высокие интенсивности света для получения генерации. Например, для арсенида галлия пороговая интенсивность при двухфотонной накачке излучением лазера на неоди­ мовом стекле составляет около 16 Мет/см2, что на поря­ док превышает пороги при однофотонном возбуждении.

ПКГ с лавинным пробоем

Сообщение о получении генерации когерентного излу­ чения при лавинной инжекции носителей тока в моно­ кристалле GaAs появилось в 1965 году. Образец состоял

:2

из трех слоев толщиной около 20 мкм, как показано на рис. 8. Средний слой обладал повышенным удельным со­ противлением и был окружен материалом с проводи­ мостью /?-типа. При приложении к образцу электрическо­ го напряжения свыше 10 в в области с повышенным сопротивлением развивался лавинный разряд, в результа­ те ударной ионизации происходило возбуждение валент­ ных электронов. При длительности импульсов накачки 100 нсек вблизи границы раздела двух слоев кристалла возникала инверсная заселенность. Лазерный эффект на­ блюдался при температурах не выше 77 °К.

Явление лавинного пробоя может быть использовано для возбуждения полупроводниковых кристаллов, в ко­ торых невозможно создать р—«-переход. Однако, хотя структуры с лавинным пробоем не теряют компактности и механической прочности, свойственных инжекционным лазерам на р—«-переходе, они не получили широкого распространения. Это связано в основном с трудностями их изготовления и необходимостью подбора специальных условий работы (низкие температуры, короткие импуль­ сы тока).

Рис. 8. Лазерная структура с лавинным пробоем: 1 — слой кристал­ ла с повышенным электрическим сопротивлением; 2 — слой полупро­ водника р-типа

23

24

Продолжение т абл.2

25

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

Наземная и космическая связь

Использование оптических квантовых генераторов открывает новые перспективы в области связи. Лазерное излучение дает возможность передавать с высокой на­ правленностью большое количество информации. Это обусловлено высокой частотой монохроматических све­ товых колебаний и связанной с ней широкополосностыо. Уникальная широкополосность оптического диапазона разрешает традиционную проблему тесноты в эфире. В интервале длин волн от 0,4 до 0,8 мкм можно разме­ стить в принципе около 108 телевизионных каналов, что на несколько'порядков превышает современные потреб­

ности.

Для связи наиболее предпочтительны лазеры, способ­ ные работать в непрерывном режиме. Г1КГ с выходной мощностью в несколько долей ватта в непрерывном ре­ жиме могут использоваться не только в космических, но и в наземных линиях связи, где большое значение имеют малые размеры, вес, надежность работы, экономичность питания аппаратуры. Применение инжекционных лазе­ ров выгодно вследствие простоты технической реализа­ ции амплитудной модуляции излучения. В импульсном режиме генерации применяются такие эффективные ви­ ды модуляции, как импульсно-кодовая, импульсно-фазо­

27