§ 25. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С ОПТИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Особенности оптической накачки.

Полупроводниковые квантовые генераторы с оптическим возбуждением на основе GaAs [741, 742], CdS [743, 744], InSb [745], InAs [745, 746] были созданы в 1965 г., а затем на основе CdSe [747, 748], [749 - 751], [752], [753] и на других полупроводниках (табл. 7) [481].

Таблица 7

Продолжение табл. 7 (см. скан)

Оптическое возбуждение генерации, так же как и люминесценции, связано с однофотонным или двухфотонным поглощением внешнего излучения в активной среде. При однофотонном возбуждении энергия квантов внешнего излучения должна быть больше ширины запрещенной зоны. В случае двухфотонного поглощения, как показано в § 16, необходимо, чтобы было больше Двухфотонное возбуждение позволяет создать инверсную населенность на большей глубине от поверхности образца, так как коэффициент двухфотонного поглощения обычно невелик. Поэтому возбуждающий свет можно направлять как перпендикулярно, так и параллельно оси резонатора. Если то инверсная населенность создается только в приповерхностном слое толщиной в

Рис. 132. Схема оптического возбуждения генерации в полупроводниках [754]: 1 - излучение неодимового лазера на иттрий-алюмиииевом гранате (); 2, 3 - цилиндрические лиизы; 4 — образец из хладопровод; 6 — генерируемое излучение

несколько микрон и осуществляется обычно поперечный вариант накачки, когда генерируемое излучение распространяется перпендикулярно к направлению распространения возбуждающего света (рис. 132). Чтобы получить узкую полоску активного вещества, возбуждающий свет фокусируется цилиндрическими линзами.

В качестве источников оптической накачки полупроводников применяется чаще всего излучение твердотельных, газовых и инжекционных лазеров. Так, для однофотонного возбуждения арсенида галлия используется либо непосредственно излучение рубинового лазера, либо первая стоксова компонента вынужденного комбинационного рассеяния этого излучения в жидком азоте [741]. Для двухфотонного возбуждения GaAs подходит излучение неодимового лазера. Таким путем ролучена непрерывная генерация при комнатной температуре [754]. Двухфотонное поглощение второй гармоники излучения неодимового лазера позволило возбудить широкозонный полупроводник и получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра с [755]. При двухфотонном возбуждении излучением рубинового лазера смешанных кристаллов получена генерация в интервале [756]. Плотность излучения маломощного газового гелий-неонового лазера оказывается достаточной для возбуждения генерации в монокристаллах [758] и других полупроводниках.

Хотя мощность генерации инжекционных лазеров составляет десятки ватт, площадь поперечного сечения генерируемого луча на зеркале резонатора обычно меньше Поэтому плотность светового потока достигает больших значений и достаточна для создания инверсной населенности в полупроводниках. Инжекционный лазер на основе GaAs использовался для возбуждения генерации в [759] и других полупроводниках. Так как излучение инжекционных лазеров характеризуется большим углом

расходимости (§ 22), то для увеличения плотности накачки возбуждаемую пластинку прикрепляют к зеркалу резонатора лазерного диода. Схема поперечного варианта накачки тонких полупроводниковых пластин инжекционным лазером показана на рис. 133 [760].

Для оптического возбуждения генерации в полупроводниках наиболее перспективны лазеры на растворах органических красителей и других соединениях с перестраиваемой частотой излучения [761—766]. Эти лазеры позволяют производить мощную накачку кристаллов на любой длине волны — от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра. Они оказываются пока незаменимыми при изучении спектральных характеристик нелинейных оптических явлений в полупроводниках [506].

Объем активной среды и мощность генерации полупроводниковых лазеров с оптической накачкой может быть на два-три порядка больше, чем в инжекционных лазерах. Так, в арсениде галлия при однофотонном возбуждении в импульсном режиме получена мощность более [767]. По сравнению с интенсивностью излучения в пороге мощность генерации возрастает на четыре-пять порядков, а затем стремится к насыщению (рис. 134). Аналогичная закономерность наблюдалась и в других работах [481].

В отличие от лазеров на -переходах активная среда полупроводниковых квантовых генераторов с оптической накачкой пространственно однородна. В качестве активной среды могут быть полупроводники -типа, -типа, слабо и

Рис. 133. Схема возбуждения тонких полупроводниковых пластин с помощью иижекционного лазера

Рис. 134. Зависимость мощности генерации (в одну сторону) лазера от мощности оптической накачки при

сильно легированные образцы или, что наиболее важно, собственные полупроводники. В относительно чистых полупроводниках важную роль в поглощении и испускании света играют экситоны (§ 8, 18). В ряде работ зафиксирована генерация излучения на непрямых экситонных переходах.

Наряду с возбуждением пучком быстрых электронов оптическая накачка позволяет получить стимулированное испускание в тех полупроводниках, для которых еще не разработана технология создания -переходов или гетеропереходов. Кроме того, в пространственно однородном веществе с контролируемой концентрацией примесей значительно проще установить физическую природу оптических переходов.

При любом способе возбуждения возможна генерация на оптических переходах зона — зона, зона — примесь и примесь — примесь. Эти механизмы генерации подробно изучены в теории инжекционных лазеров. Полученные там результаты можно использовать для изучения ПКГ с оптической накачкой. Необходимо только учесть, что в отличие от инжекционных лазеров, в которых скорость возбуждения прямо пропорциональна току инжекции, при оптической накачке коэффициент поглощения активной среды является функцией плотности возбуждающего света (§ 14, 16). В случае однофотонного возбуждения может наступить насыщение поглощения, а при двухфотонном возбуждении коэффициент поглощения растет пропорционально падающему потоку. На примере лазеров с однофотонным возбуждением покажем, как результаты, полученные в теории лазерных диодов, можно применить для рассмотрения закономерностей генерации при других способах возбуждения. Отдельного обсуждения заслуживает экситонный механизм генерации.