1.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым. Уже в 1958 году Н. Г. Басовым и его сотрудниками было указано на возможность использования полупроводниковых материалов в качестве активных сред. И тогда же отмечалось, что применение полупроводников даст возможность непосредственно преобразовывать энергию электрического тока в энергию когерентного излучения. Впоследствии Н. Г. Басову, Ю. М. Попову, О. Н. Крохину, А. Е. Шотову была присуждена Ленинская премия за создание полупроводникового лазера [2].

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы (рис. 14). Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя — зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда.

Рис. 14. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера

Произойдет перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны. В некоторых полупроводниках, подобных арсениду галлия, в результате обратного перехода электронов из зоны проводимости с более высокого уровня в валентную зону и их соединения с дырками, т. е. при рекомбинации разноименных носителей заряда, происходит излучение фотонов.

Для уменьшения ширины запрещенной зоны в полупроводник вводят примеси, которые создают отдельные местные энергетические зоны. Чтобы создать инверсную населенность, используют различные методы — либо перевозбуждают с помощью оптического излучения, либо ударной ионизацией, либо с помощью импульсов электрического тока. Последний метод позволяет получить инверсную населенность в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны. Это приводит к тому, что возникают предпосылки к получению излучения в диапазоне от далекой инфракрасной области до ультрафиолетовой. При этом сравнительно легко получить кпд около 40...50% [17].

Схема полупроводникового лазера и его спектральная характеристка представлены на рис. 15. Здесь в качестве активного вещества используется арсенид галлия,

Рис. 15. Схема полупроводникового лазера (а) и его спектральная характеристика (б)

содержащий примеси -типа, концентрация которых составляет Из этого материала делается заготовка в форме параллелепипеда или куба. Она обычно называется полупроводниковым диодом. Размеры диода очень невелики и составляют доли миллиметра. Диод припаивают к молибденовому основанию, покрытому золотом, с тем, чтобы обеспечить контакт с -областью. На поверхность -областй наносят сплав золота с серебром. Торцы диода играют роль зеркал, поэтому они тщательно полируются, а стороны их делают параллельными, чтобы они играли роль резонатора. Излучение выходит именно из этих сторон диода. Верхняя и нижняя стороны являются контактами, к которым прикладывается напряжение. В начальный период, когда сила тока, протекающего через диод, невелика, ширина спектральной полосы излучения довольно большая (рис. 15, б), а при превышении током порогового значения полоса резко сужается. Пространственное излучение лазерного диода имеет форму лепестка. Лазерный диод может работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. И весьма важным достоинством такого лазера является то, что излучение на его выходе очень просто модулировать. Для этого достаточно модулировать ток, питающий его, и тогда излучение на выходе будет промодулировано с

той же частотой. В качестве активного вещества используют также фосфид галлия, сурьмянистый индий, сурьмянистый галлий, арсенид-фосфид-галлия и др. Один из первых образцов полупроводниковых лазеров был представлен на Лейпцигской ярмарке в. 1965 году. Он имеет марку «Луч-3». Размеры кристалла из арсенида галлия составляли Он находился в термостате с жидким азотом при температуре минус 196°С. Работал в импульсном режиме на волне имея длительность около 2 мкс. Мощность Излучения в импульсе достигала 10 Вт [4].

В табл. 4 приведены материалы, из которых изготавливают полупроводниковые лазеры, и значения длины волны излучаемой энергии.

Таблица 4 (см. скан) Материалы полупроводниковых лазеров