Возбуждение генерации пучком быстрых электронов.

Стимулированное испускание при электронном возбуждении впервые было получено в 1964 г. в монокристаллах а в последующие годы — в CdSe [790], CdTe [791], PbSe, PbTe, PbS [792], ZnS i[793], ZnTe [794] и других полупроводниках (см. табл. 7).

Для получения пучка быстрых электронов используются электронные пушки и ускорители [795, 796]. Образец прикрепляется к хладопроводу и помещается в вакуум. Быстрые электроны, проникая в глубь кристалла, ионизируют на своем пути атомы решетки. Возникшие первичные электроны имеют достаточно большую энергию, чтобы ионизировать новые атомы и выбить из них вторичные электроны и т. д. Развивается лавинообразный процесс, приводящий к появлению в кристалле большой концентрации свободных горячих электронов и дырок. Носители быстро термализуются, и создается инверсная населенность.

При оптическом возбуждении минимальная энергия кванта света, необходимая для создания одной электронно-дырочной пары, равна В случае электронного возбуждения на создание одной пары свободных носителей требуется энергия примерно в три раза большая, чем [29, 30]. Если плотность тока быстрых электронов с энергией Ее равна а глубина их проникновения в кристалл — то скорость возбуждения можно выразить формулой

Здесь коэффициент размножения, равный числу свободных электронов, созданных одним быстрым электроном.

Глубина проникновения электронов в кристалл увеличивается с ростом их энергии и достигает при

В § 20 показано, что порог генерации резко возрастает, когда толщина активной области становится сравнимой или меньше длины волны генерируемого излучения. Это накладывает ограничения на Ее снизу. Минимальное значение при котором удалось получить генерацию, равно Если то глубина проникновения электронов в кристалл, а следовательно, и толщина активного слоя оказываются слишком малыми, чтобы можно было преодолеть дифракционные потери излучения.

Чем больше , тем в большем объеме создается инверсная населенность и можно получить более мощную генерацию. Однако при во многих полупроводниках (рис. 139) поток электронов создает радиационные дефекты, повышающие порог и снижающие мощность генерации [797].

Формулы и физические представления, развитые в теории инжекционных лазеров, с небольшими видоизменениями можно использовать для рассмотрения закономерностей работы полупроводиковых лазеров с электронной накачкой. Необходимо учесть только, что одному горячему электрону соответствует электронов, инжектированных через -переход, а толщина активного слоя является функцией энергии электронов, т. е.

Рис. 139. Связь между энергией электронов Ее и глубиной их проникновения в полупроводник Слева отмечены пороговые энергии возникновения радиационных дефектов [797]

В первом равенстве (25.29) введены обозначения: плотность инжекционного тока; плотность тока пучка свободных электронов. В приводимых ниже формулах используется только величина Поэтому индекс около опущен.

Принимая во внимание (25.29), на основании (20.9), (20.23), (20.25), (21.2) и (21.8) в линейном приближении получим формулы для максимального коэффициента усиления, порога, мощности и к. п. д. генерации при возбуждении пучком быстрых электронов тех веществ, которые изучались в § 20, 21:

где толщина активной области, для которой рассчитан или измерен параметр При выводе (25.33) учтено, что мощность проникших в кристалл электронов равна

Как видно из рис. 139, в небольшом интервале изменений зависимость глубины проникновения электронов от Ее можно аппроксимировать отрезком прямой, т. е. положить Так как то отношение в пределах будет слабо зависеть от (с увеличением Ее отношение возрастает).

Поэтому, согласно (25.31), при значениях Ее, соответствующих порог генерации будет возрастать с увеличением Е. В этом случае для заданного значения объем активного слоя с ростом значения будет увеличиваться быстрее, чем число электронно-дырочных пар, что приводит к снижению уровня инверсной населенности. В области значений резко возрастает величина в результате увеличения дифракционных потерь излучения (§ 20) и вследствие больших значений вероятностей неоптических переходов в приповерхностном слое (§ 11). Это должно приводить к значительному повышению генерации. Указанные закономерности наблюдаются на опыте [798, 799] (рис. 140).

Из анализа (25.32) следует, что с увеличением длины активного слоя мощность генерации вначале возрастает, а затем стремится к насыщению. В отличие от этого мощность

Рис. 140. Зависимость плотности порогового тока от энергии электронов для арсенида галлия: образец образец № при [798]

генерации в расчете на единицу длины имеет максимум, положение которого определяется условием (21.7).

Для соответствующих условий эксперимента отношение к.п.д. лазера с электронным возбуждением к к.п.д. инжекционного лазера, согласно (21.8) и (25.33), равно

Поскольку близко к единице, а может быть значительно меньше то из (25.34) следует, что к.п.д. лазера с электронным возбуждением при прочих равных условиях почти в три раза меньше, чем к.п.д. лазерных диодов.

Если в качестве затраченной энергии взять энергию всех электронов, падающих на поверхность активной среды, то

Рис. 141. Схемы многоэлементных полупроводниковых лазеров с продольной (а) и поперечной (б) накачкой пучком быстрых электронов [796]

получится еще меньшее значение связанное с формулой

Здесь коэффициент отражения электронов. В кристаллах, состоящих из тяжелых атомов, значение достигает 50% [795].

Для лазеров с электронным возбуждением справедливы общие закономерности, установленные при рассмотрении радиационных шумов и нестационарного режима генерации инжекционных лазеров. В частности, при электронном возбуждении наблюдается вынужденная синхронизация мод [800], А период пульсаций излучения в режиме свободной генерации удовлетворяет формуле (24.26) [801].

Угол расходимости излучения с электронной накачкой такой же, как и при оптическом возбуждении. Основное ограничение мощности генерации связано с радиационными шумами (§ 23), препятствующими генерации в большом объеме активной, среды. Для подавления шумов предложено несколько конструкций многоэлементных лазеров [796]. В лазере типа «излучающее зеркало» активный слой разделен канавками, заполненными поглощающим веществом (рис. 141, а). Электронный луч направляется параллельно оси резонатора. Благодаря общему выносному зеркалу удается осуществить оптическую связь между всеми элементами и значительно снизить угол расходимости. В другой конструкции лазера секции активного вещества располагаются ступеньками на общем хладопроводе (рис. 141,б). Суммарная мощность многоэлементных лазеров с электронной накачкой достигает 1,5 Мвт.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)