Просветление пассивных областей пластинчатых лазеров [769].

Генерация в тонких полупроводниковых пластинах при оптической накачке [757—770] характеризуется важной особенностью, которая еще не получила однозначного объяснения и требует дальнейшего исследования.

Как показано в § 15, предельный коэффициент усиления в активной среде по своей величине не может быть больше коэффициента поглощения этой среды при отсутствии накачки и условии, что все нижние состояния заняты электронами, а верхние свободны. Поэтому если пучок света проходит последовательно активные (а) и пассивные участки одного и того же вещества длины то его усиление на пути будет полностью компенсировано ослаблением в пассивной области при

Однако вопреки ожиданиям усиление даже в маленьком пятнышке тонкой пластинки способно перекрыть потери в пассивной области во много раз большей длины. В работе [771] получена генерация тонких пластин чистого и слабо примесного CdSe при длине пассивной области, более чем в

10 раз превышающей

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Пусть коэффициент усиления в активной области равен а коэффициент поглощения пассивной области Тогда энергетическое условие генерации можнб представить в виде

Для прямых переходов между параболическими зонами (§ 6) имеем:

В слабо примесном невозбужденном полупроводнике Следовательно, если то удовлетюрить условию генерации (25.16) невозможно. Аналогичная трудность возникает при интерпретации генерации пластин с электронным возбуждением [772]. Поэтому сделано предположение, что в активной области вследствие экранирующего действия свободных носителей происходит уменьшение ширины запрещенной зоны, а может быть на порядок больше, чем кпяс на той же частоте [772]. По расчетам авторов при увеличении концентрации электронов и дырок от до ширина запрещенной зоны в GaAs при уменьшается на

Идея о сужении запрещенной зоны широко используется при интерпретации экспериментальных данных по пластинчатым лазерам [771, 773, 774]. Она позволяет объяснить не только причину генерации пластинки с пассивными областями, но и ответить на вопрос, почему энергия генерируемого кванта в слабо легированных образцах меньше [774, 775], а с ростом накачки частота генерации в некоторых образцах уменьшается [773, 776]. Однако возможна и иная интерпретация экспериментальных данных.

Люминесценция и вынужденное просветление полупроводника так же, как и сужение запрещенной зоны, могут не только обеспечить выполнение условия генерации (25.16), но и привести к сдвигу частоты генерации с ростом накачки.

Полупроводниковые пластины обладают хорошими волноводными свойствами. Все лучи света, идущие из любой точки внутри пластины, испытывают полное внутреннее отражение, если угол их падения больше Для полупроводников показатель преломления что соответствует телесному углу, равному Если в пластине находится источник света со сферической индикатрисой излучения, то только за счет полного внутреннего отражения 96% света остается в пластине. Для лучей, распространяющихся в указанном телесном угле, коэффициент отражения колеблется от 0,3 до 1. Поэтому практически все рекомбинационное излучение полупроводника остается в пластинке и распространяется между ее поверхностями. При квантовом выходе порядка поток люминесценции в пластинке будет сравним с потоком возбуждающего света, а его плотность только на один-два порядка ниже плотности потока накачки.

Наличие резонатора и усиление в активной среде приводят к возникновению усиленной люминесценции с индикатрисой, вытянутой вдоль оси резонатора, и высокой плотностью потока. После преодоления порога само генерируемое излучение еще больше просветляет пассивную область.

Рис. 136. Графики (сплошные кривые) и (штриховые) при различных степенях просветления пассивной области для На кривых указаны значения в Точки касания кривых определяют энергию генерируемого кванта света

Как показано в § 14, в чистом арсениде галлия просветление края полосы поглощения начинается при плотностях потока порядка или плотности лучистой энергии Так как плотность потока накачки на три-четыре порядка больше этой величины, то просветление тонких полупроводниковых пластин спонтанной и вынужденной фотолюминесценцией представляется весьма вероятным.

На рис. 136 приведены графики правой и левой частей (25.16), построенные для различной степени просветления пассивной области. При расчете кривых использовались формулы (25.17), (25.18) и решение уравнения электронейтральности для чистого арсенида галлия [430]. Чем больше просветлена пассивная область, тем меньше а точка касания кривых перемещается в сторону меньших частот. Эта закономерность справедлива в большей или меньшей степени при вариации параметров в широких пределах.

Введение примеси в полупроводник создает новые каналы рекомбинации электронов и дырок, существенно не изменяя коэффициента поглощения при межзонных переходах. Поэтому для просветления сильно легированного полупроводника требуются плотности потока на несколько порядков больше, чем для просветления чистого материала (см. § 14). Это подтверждается на опыте [499]. Возможно, поэтому высокая

прозрачность обнаружена в пластинках из слабо примесного полупроводника [771].

К дополнительным доводам в пользу просветления пассивных областей пластинчатых лазеров относятся следующие. Во-первых, на опыте обнаружено [777] просветление пластины в частоте возбуждающего света при Уменьшение ширины запрещенной зоны, наоборот, приводит к увеличению коэффициента поглощения. При [772] коэффициент поглощения в GaAs (без учета заполнения зон) на частоте должен стать равным Во-вторых, в оптически связанных инжекционных лазерах пассивные области просветляются как под действием стимулйроваиного излучения, так и под действием спонтанного излучения [778].

Таким образом, при рассмотрении механизма генерации тонких пластин, временного и спектрального поведения мод необходимо иметь в виду не только сужение запрещенной зоны в активной области, но и возможность просветления пассивных областей. Какое из этих явлений в том или ином случае играет решающую роль, покажут дальнейшие опыты. Уменьшение легко обнаружить, в частности, по смещению длинноволнового края полосы спонтанного испускания в активной области, а просветление пассивной области можно зафиксировать с помощью дополнительного светового луча.