Полупроводниковые лазеры

2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО “БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.С. ПУШКИНА”

Кафедра общей физики

Курсовая работа

на тему:

«Полупроводниковые лазеры»

Выполнил:

Научный руководитель:

Брест 2010



Содержание

Введение

1. Полупроводниковые лазеры

2. Создание инверсной населенности в полупроводниках

3. Лазеры на гетеропереходах

4. Основные свойства лазерного луча

5. Применение лазеров

5.1 Практическое и промышленное применение лазера

5.2 Лазеры в вычислительной технике

5.3 Лазерный принтер

5.4 Оптическая цифровая память

Заключение

Список использованных источников



Введение

В данной курсовой работе будет рассмотрен принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров.

Термин «лазер» появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, -так широко он вошел в обиход. Появление лазеров- одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.

Впервые генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г. советскими физиками А.М.Прохоровым и Н.Г.Басовым и американским физиком Ч.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.

Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан Т.Мейманом (США) в 1960 г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы “LightAmplificationbystimulatedemissionofradiation” (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора - лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Год спустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот - США). А ещё через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.

Главная причина стремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительных свойствах этих приборов.

Уникальные свойства лазера:

монохроматичность (строгая одноцветность),

высокая когерентность (согласованность колебаний),

острая направленность светового излучения.

Существует несколько видов лазеров:

полупроводниковые

твердотельные

газовые

рубиновые



1. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры. Прежде чем говорить о принципе работы полупроводникового лазера, напомним некоторые сведения о полупроводниках.

Энергетический спектр идеального полупроводникового кристалла (кристалл без дефектов и примесей) состоит из широких полос разрешенных состояний электронов-- зоны проводимости и валентной зоны, разделенных зоной запрещенных состояний (запрещенная зона). В валентной зоне и зоне проводимости энергетические состояния электронов образуют практически непрерывный спектр.

В идеальном полупроводнике при T=0 К все электроны находятся в валентной зоне. Зона проводимости полностью свободна от электронов. В этом случае полупроводник не может проводить электрический ток и является изолятором. При ненулевой температуре часть электронов за счет теплового движения переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате такого перехода в валентной зоне появляются свободные места-- дырки. Дырка эквивалентна частице с положительным зарядом.

В полупроводнике, у которого часть атомов исходного вещества замещена атомами других элементов (так называемый примесный полупроводник), кроме валентной зоны и зоныпроводимости появляются дополнительные энергетические уровни, лежащие в пределах запрещенной зоны. Примеси и соответствующие им энергетические уровни делятся на донорные и акцепторные. Доноры-- это примеси, энергетические уровни которых расположены близко к зоне проводимости (донорные уровни). Доноры легко отдают электроны в зону проводимости. Акцепторы -- это примеси, энергетические уровни которых расположены ближе к валентной зоне. Акцепторы легко захватывают электроны из валентной зоны, оставляя там дырки. Энергетический спектр примесного полупроводника показан на рис.1. В зависимости от вида носителя заряда (электрон или дырка) полупроводники бывают двух типов: n-типа (носители заряда-- электроны) и р-типа (носители заряда -- дырки).

Рис. 1. Энергетический спектр и излучательные переходы в полупроводнике: Eg-- ширина запрещенной зоны; I-- зона проводимости: II -- донорный уровень; III-акцепторный уровень; IV -- валентная зона

Для того чтобы система могла излучать, ее необходимо привести в неравновесное состояние. А чтобы привести полупроводник в такое состояние, используют следующие способы: 1) облучение полупроводника внешним излучением достаточно высокой частоты (oптический метод возбуждения); 2) облучение полупроводника электронным пучком; 3) использование внешнего электрического поля. Переход к равновесному состоянию происходит благодаря рекомбинации. Энергия, освобождающаяся при рекомбинации, реализуется в виде одного из трех основных процессов: рождения фотона (излучательная, или фотонная, рекомбинация), нагревания решетки, т. е. образования фононов (фононная и рекомбинация) и увеличения кинетической энергии свободных носителей (рекомбинация Оже-- тоже безизлучательная рекомбинация).

Нас, естественно, будет интересовать только излучательная рекомбинация, которая в полупроводнике может происходить в результате межзонных переходов (стрелка 1 на рис.1.) и переходов из зоны на примесный уровень (стрелка 2) или через оба примесных уровня (стрелка 3).

Рис. 2. Принцип действия полупроводникового лазера

При определении условия образования инверсии заселенностей в полупроводнике для простоты рассмотрим идеальный полупроводник при температуре T=0 К. Заштрихованная область на рис.2,(а)соответствует полностью заполненным энергетическим состояниям. Предположим, что электроны каким-либо образом попадают из валентной зоны в зону проводимости. В этой зоне в течение очень небольшого интервала времени (около 10-13 с) электроны релаксируют на ее самый нижний уровень. Вблизи максимума валентной зоны электроны также переходят на самый нижний из незанятых уровней, заполняя таким образом максимум валентной зоны дырками. Это означает, что между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия заселенностей рис.2, (б). Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V (т.е. рекомбинировать с дыркой), то, поместив такой полупроводник в соответствующий резонатор, можно получить генерацию. Значит, наиболее подходящей активной средой для полупроводникового лазера будут вещества, у которых вероятность перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотона достаточно велика.

Первый полупроводниковый лазер был выполнен на арсениде галлия (GaAs) Холом в 1962 г. Этот лазер обладал очень большой вероятностью излучательной рекомбинации. Лазер на арсениде галлия (Х=0,84 мкм) относится к так называемым инжекционным лазерам на p-n-переходе. Обычно плавные р-n-переходы создают путем диффузии акцепторных примесей (цинк, кадмий и др.) в материал, легированный донорными примесями (теллур, селен и др.).

Рис.3. Схема устройства полупроводникового лазера (а) и распределение интенсивности излучения лазера в поперечном сечении (б)

Отличительной чертой всех полупроводниковых лазерных материалов, в том числе и арсенида галлия, является очень высокий по сравнению с другими лазерными материалами (кристаллы, стекла, жидкости, газы) коэффициент усиления электромагнитного излучения. Благодаря этому удается выполнить условие генерации для миниатюрных полупроводниковых образцов. Типичный лазер на арсениде галлия показан на рис.3,(а).Для получения генерации две противоположные поверхности полупроводника полируют и делают плоскопараллельными, а две другие оставляют грубо обработанными, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях. Обычно обе отражающие поверхности не имеют отражающих покрытий, так как показатель преломления полупроводника достаточно большой и отполированных торцов отражается примерно 35 % падающего излучения. Активная область представляет собой слой толщиной около 1мкм, т.е. немного больше запирающего слоя (примерно 0,2мкм). В свою очередь поперечные размеры лазерного пучка гораздо больше (около 40мкм) толщины активной области рис.3,(б). Следовательно, лазерный пучок занимает довольно большое пространство в р- и n- областях. Однако поскольку поперечные размеры пучка все же относительно невелики, выходное излучение имеет большую расходимость (несколько градусов).

Кроме лазера на арсениде галлия, применяются и другие типы полупроводниковых лазеров. Крупные успехи в разработке полупроводниковых лазеров связаны с появлением инжекционных лазеров на гетеропереходах. Так называют сложные p-n-структуры, состоящие из полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны.

На этом закончим рассмотрение различных типов лазеров. Мы обсудили лишь некоторые из наиболее широко используемых лазеров. В действительности же их число значительно больше. Для того чтобы проиллюстрировать это, на рис.4 показаны диапазоны длин волн, в которых получена генерация на лазерах различного типа. На этом рисунке указаны также области, где, имеется потенциальная возможность получения генерации. Следует заметить, что в общем случае указанные области не могут быть перекрыты непрерывным образом, исключая лазеры на красителях. Отметим также, что на основе лазеров, генерирующих на некоторой частоте, можно создать источники когерентного излучения и на других частотах, используя нелинейные оптические эффекты.

Рис. 4. Диаграммы длин волн генерации, перекрываемые действующими лазерами: I -- возможная область генерации на вращательных переходах; II -- возможная область генерации наколебательно-вращательных переходах; III--возможная область генерации на электронных переходах; IV -- полупроводниковые лазеры; V-- химические лазеры; VI -- лазеры на красителях; VII -- газовые лазеры; VIII -- твердотельные лазеры

Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.



2. Создание инверсной населенности в полупроводниках

Рассмотрим собственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитного излучения. Согласно правилу Стокса- энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона (валентная зона - зона проводимости) равна вероятности излучательного перехода (зона проводимости - валентная зона).

Предположим, что в результате какого-то внешнего воздействия полупроводник выведен из состояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременно высокие концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Электроны переходят в состояние с некоторой энергией Fn вблизи потолка валентной зоны.

Рассматриваемая ситуация иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис.5.

Так как все состояния вблизи дна зоны проводимости заполнены электронами, а все состояния с энергиями вблизи потолка валентной зоны заполнены дырками, то переходы с поглощением фотонов, сопровождающиеся увеличением энергии электронов становятся невозможными. Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона проводимости - валентная зона, сопровождающиеся рекомбинацией электронно-дырочных пар и испусканием электромагнитного излучения. В полупроводнике создаются условия, при которых происходит усиление электромагнитной волны. Иными словами, коэффициент поглощения получается отрицательным, а рассматриваемая ситуация отвечает состоянию с инверсной плотностью населенности.

Рис. 5.

Поток квантов излучения, энергия которых находится в пределах от

hv=Ec-Ev

до

hv=Fn-Fp

распространяется через возбужденный полупроводник беспрепятственно.

Для реализации процесса излучательной рекомбинации необходимо выполнить два условия. Во-первых, электрон и дырка должны локализоваться в одной и той же точке координатного пространства. Во-вторых, электрон и дырка должны иметь одинаковые по значению и противоположно направленные скорости. Иными словами, электрон и дырка должны быть локализованы в одной и той же точке k-пространства. Так как импульс образующегося в результате рекомбинации электронно-дырочной пары фотона значительно меньше по сравнению с квазиимпульсами электрона и дырки, то для выполнения закона сохранения квазиимпульса требуется обеспечить равенство квзиимпульсов электрона и дырки, участвующих в акте излучательной рекомбинации.

Оптическим переходам с сохранением квазиимпульса соответствуют вертикальные в k-пространстве (прямые) переходы. Сохранение квазиимпульса в процессе излучательного перехода может рассматриваться как квантомеханическое правило отбора (в том случае, когда в акте излучательной рекомбинации не принимают участие третьи частицы, например, фононы или атомы примесей). Невертикальные в k-пространстве (непрямые) переходы имеют значительно меньшую вероятность по сравнению с прямыми переходами, так как в этом случае требуется сбалансировать некоторый разностный квазиимпульс dk рис.6.

Рис.6.

Таким образом, для получения излучательной рекомбинации необходим прямозонный полупроводник, например, GaAs. Вообще, придерживаясь строгой теории можно доказать, что инверсная населенность возможна лишь при условии Ec-Eg<Fn-Fp.

Широко используемыми на практике способами создания инверсной населенности являются: 1) возбуждение за счет инжекции неосновных носителей через p-n - переход; 2) возбуждение электронным лучом; 3) возбуждение в сильном электрическом поле.



3.Лазеры на гетеропереходах

Наиболее легко и эффективно инверсия населенности достигается в p--n-переходах за счет инжекции электронов.

Известно, что в сильнолегированных (вырожденных) полупроводниках, когда одному и тому же значению энергии соответствуют различные электронные или дырочные состояния, в p- и n-областях уровни Ферми находятся в пределах разрешенных зон и при тепловом равновесии эти уровни для электронов и дырок совпадают рис.7,(а). В области p--n-перехода образуется потенциальный барьер, не позволяющий переходить основным носителям из зоны в зону. Если же к переходу приложить напряжение U в прямом направлении, то потенциальный барьер в области p--n-перехода уменьшается на значение энергии, соответствующей этому напряжению. Как правило, это напряжение оказывается приложенным к переходу, вследствие чего равновесие носителей тока нарушается. Если при тепловом равновесии распределение электронов и дырок можно было описать с помощью квазиуровня Ферми, то при наличии приложенного электрического поля заполнение состояний нужно рассматривать отдельно для зоны проводимости и отдельно для валентной зоны. При включении прямого смещения возникает диффузионный поток электронов через p--n-переход, который стремится поднять квазиуровень Ферми Fn для электронов в p--n-области до его уровня в n-области.

Инжектированные электроны после диффундирования на небольшое расстояние, определяемое диффузионной длинной, рекомбинируют с дырками; в результате возникает стационарное состояние, при котором скорость рекомбинации электронов в точности сбалансирована скоростью их инжекции. Совершенно аналогичны рассуждения и для дырок в валентной зоне. При наличии стационарного состояния положение квазиуровней Ферми для двух типов носителей в области перехода меняется рис.7,(б). Основные носители вытягиваются из контакта, чтобы обеспечить условие нейтральности. В настоящее время лазерные диоды в основном изготовляют из GaAs или Ga1-xAlxAs.

Рис.7.

Структура лазерного диода на p--n-переходе представлена на рис.8. Обычно p--n-переход формируется путем эпитотсиального выращивания слоя p-типа на подложке n-типа. Электрический ток является источником энергии накачки, необходимой для создания инверсии населенности в активной зоне, примыкающей к p--n-переходу. Две параллельные торцевые поверхности изготавливаются путем скола по кристаллографической оси для работы в качестве зеркал резонатора и создания положительной оптической обратной связи, необходимой для генерации излучения.В силу большого показателя преломления полупроводникового материала коэффициент отражения от граней составляет 30--35%. Боковые грани лазерного кристалла имеют неровности, для того чтобы подавить поперечное нежелательное распространение света.

Рис.8.

К основным параметрам лазерного диода относятся спектр частот излучения (оптические моды), пороговый ток, выходная мощность излучения и эффективность работы. Когда ток проходит через лазерный диод , то свет генерируется за счет инверсии населенности посредством спонтанного и стимулированного излучений. Вследствие отражения от торцов свет многократно проходит через активную область и преимущественно усиливается стимулированным излучением. Внутри лазерного диода устанавливается стоячая волна с целым числом полуволн между торцевыми поверхностями. Модовое число m задается числом полуволн

m=2Ln/Lw ,

где L -- расстояние между торцами; n -- показатель преломления;Lw --длинна волны излучения в вакууме. Модовое разделение можно установить, взяв производную dm/dLw . Тогда

dm/dLw=-2Ln/ Lw2+(2L/ Lw)(dn/ dLw).

При dm=-1, что соответствует потере одной полуволны в резонаторе, получим выражение для модового разделения:

dLw= dLw2/{2L[n- Lw(dn/ dLw)]}.

Спектр излучения лазерного диода показан на рис.10. Обычно существует несколько продольных мод, имеющих длины волн вблизи пика спонтанной эмиссии. Модовое разделение для полупроводникового лазера на основе GaAsсоставляет dLw=0.3 нм. Для того чтобы лазер работал в одномодовом режиме, необходимо каким-либо способом подавить нежелательные боковые моды, оставив основную центральную.

Лазерный диод не сразу начинает излучать при приложении к нему напряжения от внешнего источника. При малом токе имеет место спонтанное излучение (рис. 9) с шириной спектра излучения в несколько сот микрометра.

Риc.9.

По мере нарастания тока накачки в области p--n-перехода создается высокая степень инверсии населенности и излучается больше света. Отдельные фотоны многократно проходят строго в плоскости p--n-перехода и перпендикулярно к торцам диода усиливаются. С возрастанием тока накачки испускаемое диодом излучение существенно сужается одновременно по ширине спектра и по пространственной расходимости. Когда возникает индуцированное излучение, интенсивность излучения увеличивается за счет образования большого количества электронно-дырочных пар в единицу времени. Спонтанное излучение подавляется вследствие того, что образовавшиеся первоначально фотоны повторяют себя при прохождении через активную область. Излучение лазерного диода, полученное при плотностях тока выше порогового, являются когерентными. При этом форма кривой спектрального распределения резко изменяется от широкой кривой распределения спонтанной эмиссии 1 к кривой с несколькими узкими модами 2 (рис. 9).

Значение порогового тока в зависимости от природы материала и геометрических параметров можно получить из следующих рассуждений. Пусть в области p--n-перехода существует светоизлучающий слой толщины D , который больше толщины d слоя с инверсной населенностью. Тогда можно предположить, что из всех существующих электронно-дырочных пар только часть d/D остается в активной области и может участвовать в индуцированном излучении.

Положим, что световая волна распространяется в кристалле и на каждую торцевую поверхность падает световой поток мощностью Ps , а коэффициент отражении от торца p. При наличии лазерного излучения произведение pPs экспоненциально увеличивается в зависимости от длины активной зоны L. Существующие потери световой волны значительно перекрываются лазерным усилением за счет индуцированного излучения. Каждый торец диода излучает свет мощностью

Pвых/2=(1-p)Ps.

Если µ [см-1]-- коэффициент потерь для волны при ее распространении в кристалле, аH[см-1]-- коэффициент усиления, то мощность в зависимости от пройденного волной расстояния вдоль активной области будет

P=pPsexp[H(d/D)-µ]z.

Усиление волны происходит только в области с инверсной населенностью, поэтому величину Н необходимо умножить на d/D, в то время как потери имеют место по всему объему и поэтому коэффициент µ не имеет такого множителя. Тогда при прохождении кристалла длиннойL будем иметь:

P=pPsexp[H(d/D)-µ]L;

ln(1/p)=[H(d/d)-µ]L.

Таким образом, условие лазерного излучения имеет вид

H(d/D)=µ+(1/L) ln(1/p). (1)

Коэффициент усиления H связан с плотностью инжектированного тока. Выражение для величины Н будет

H=gLw2I/(8en2dV), (2)

где для GaAs при комнатной температуре квантовая эффективность g=0.7 , длина волны излучения в вкуумеLw=9.0·10-6см, показатель преломления n=3.34 приLw ; V -- ширина полосы спонтанного излучения, V=1.5·1013 c-1; e -- заряд электрона; d --толщина активной области, d=10-4 см; I -- плотность инжектируемого тока.

Выражение (2) справедливо для допорогового тока. Подставляя (2) в (1), поучим

(gLw2I)/(8en2VD)=µ+(1/L) ln(1/p).(3)

Левая часть в выражении (3) описывает усиление волны за один проход, а правая часть -- потери . Из (3) нейдем значение порогового тока, достаточное для покрытия потерь:

I=(8en2VD)/(gLw2I)(µ+(1/L) ln(1/p)). (4)

Cлагаемое(1/L) ln(1/p) определяет потери на излучение. Коэффициент отражения может быть выражен через коэффициент пропускания T=1-p, и тогда разложение ln[1/(1-T)] в ряд имеет вид

(1/L) ln(1/p)=(1/L) ln[1/(1-T)]=(1/L) [T-(T2/2)+ (T3/3)- (T4/4)+...].

Принебрегая членами высокого порядка поТ, найдем

(1/L) ln(1/p)=T/L.

Тогда выражение (4) представим в виде

I=(8en2VD)/(gLw2I)(µ+T/L). (5)

Формула (5) справедлива для приближенных расчетов. Из формулы (5) также следует, что для уменьшения I необходимо уменьшать D и наиболее оптимальным условием будет D=d . Но практически это условие трудно осуществить на обычном лазерном диоде, так как генерируемая в окрестности p--n-перехода световая волна распространяется не только в активной области, но и за ее пределами, где не выполняются условия инверсности населенности. Еще одной причиной является то, что часть инжектируемых электронов, обладая большой длиной свободного пробега, протаскивает активную часть p--n-перехода и не участвует в образовании электронно-дырочных пар. По этим причинам необходимо ограничить зону распространения генерируемого света и инжектируемых электронов и обеспечить условия, чтобы эти процессы протекали только в активной области. Желаемые свойства оптического ограничения могут быть получены на гетеропереходных структурах. Самым простым из них является лазер с одинарным гетеропереходом (ОГ), представленный на рис.10,(а).Излучающий p--n-переход образуется между GaAS и Ga(1-x)AlxAs посредством специальной технологической обработки. Если концентрации примесей примерно одинаковы на обеих сторонах p--n-перехода, то инжекционный ток будет существовать за счет электронов, инжектируемых в слой p-типа, поскольку эффективная масса электронов почти на порядок меньше эффективной массы дырок. Поэтому слой с инверсной населенностью будет находится в p-GaAs, толщина которого соизмерима с длинной диффузии инжектирумых электронов. Таким образом, область инверсии населенности ограниченна толщиной, где в основном и происходит рекомбинация электронов с последующим излучением.

В ОГ-лезере оптическое ограничение происходит с одной стороны, отсюда желаемый результат т. е. повышение эффективности работы гетеролазера, реализуется частично, а поэтому у ОГ-лазера значение порогового тока выше, чем у лазера с двойной гетероструктурой рис.10,(б). Поскольку удалось уменьшить значение порогового тока у ОГ-лазера, это дало возможность использовать его работу при комнатной температуре, но только в импульсном режиме накачки. В непрерывном режиме накачки при комнатной температуре работают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГ).

Рис.10.

Толщина активного слоя ДГ-лазера составляет не менее 1 мкм. При этом по всему слою создается инверсная населенность. Если в ОГ-лазерах толщина активного слоя соизмерима с длинной диффузии инжектируемого электрона, то в ДГ-лазерах толщина меньше этой длины. Кроме того, вДГ-лазерах обеспечивается оптическое ограничение с двух сторон активной зоны. Эти обстоятельства приводят к тому, что ДГ-лазеры являются высокоэффективными приборами и характеризуются минимальным пороговым током, что позволяет осуществлять непрерывную накачку электрическим током при комнатной температуре.

Рис.11.

Для улучшения выходных характеристик гетероструктурного лазера в процессе получения гетероструктуры создают условия, обеспечивающие ограничение носителей заряда в активной области. Для структуры, изображенной на рис.10,(б), диаграмма энергитических зон приведена на рис.11. Из-за того, что ширина запрещенной зоны у полупроводника больше в области с увеличением концентрацией атомов Al, возникают смешения в зоне проводимости на p--p+-переходе (dEc) и в валентной зоне на n--p- иn+--p-переходах (dEv).

Когда к такой структуре прикладывается прямое напряжение смещения, электроны инжектируются из n- в p-область. Скачок зоны проводимости на p--p+-границе раздела на dEc обеспечивает энергетический барьер для инжектируемых электронов, производя тем самым ограничение их в p-области и увеличивая вероятность их рекомбинации с дырками. Скачок валентной зоны на n--p-переходе dEc повышает уже существующий потенциальный барьер, препятствующий инжекции дырок в n-область, улучшая тем самым инжекционную эффективность. Таким образом, у двойной гетероструктуры имеет место тенденция ограничения как основных, так и инжектируемых неосновных носителей в активной зоне. Это обеспечивает хорошие условия для получения более эффективной инверсной населенности. Значит ДГ-лазеры обеспечивают более высокие выходные характеристики по сравнению с ОГ-лазерами, и тем более по сравнению с гомопереходными лазерами. Сравнение технических характеристик показывает, что если у гомостктурного лазера пороговая плотность тока равна 104 А/см2 при квантовой эффективности 10%, то у ОГ-лазеров пороговая плотность тока равна 103 А/см2 при квантовой эффективности 40%. Эти лазеры работают только в импульсном режиме. У ДГ-лазеров пороговая плотность тока равна 700-- 800 А/см2 , а квантовой эффективность составляет 55%. Эти лазеры работают в непрерывном режиме.

Однако у ДГ-лазеров большая угловая расходимость луча (20-- 40°) в плоскости, перпендикулярной к плоскости перехода, из-за дифракции света в тонком активном слое, в то время как у гомоструктурных и ОГ-лазеров угловая расходимость составляет 15-- 20°. У всех рассмотренных типов лазеров угловая расходимость луча в плоскости перехода составляет не более 10°.



4. Основные свойства лазерного луча

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно.

Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).

Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.12(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис.12(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Е = Е1 + Е2

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E2.

Рис 12. Взаимодействие волн: а- некогерентные волны (взаимное гашение); б- когерентные волны (сложение амплитуд волн)

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I1 + I2 + I12,

где I1 - интенсивность света первого пучка,

I2 - интенсивность света второго пучка.

Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что

I = I1 + I2,

то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными.

Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

5.Применение лазеров

Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой научный интерес. Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна также плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности (высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществлять избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических реакций, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро-- в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и даже моделировать отдельные их звенья.

Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

5.1 Практическое и промышленное применение лазера

При обсуждении практических применений лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение (как правило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов (например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов, применения лазеров в медицине и т.д. Второе направление связывают с так называемыми информативными применениями лазеров-- для передачи и обработки информации, для осуществления контроля и измерений.

Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти применения широко распространены или находятся в стадии исследований. Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве различных устройств.

5.2 Лазеры в вычислительной технике

Принципиально достигнутые малые времена переключения делают возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая интеграцию в микроэлектронных переключательных схемахв качестве логических элементов, для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных машинах.

Преимущества таких элементов: малые времена переключения и считывания, очень маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических систем.

Достижимыми оказываются времена переключения примерно 10-10 с (соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запоминающего устройства 107 бит/см2, и скорости считывания 109 бит/с.

5.3 Лазерный принтер

Для печати в вычислительной технике и в других случаях часто применяется лазерное излучение. Преимущество их в более высокой скорости печати по сравнению с обычными способами печатания.

Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим образом обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т.д.) и служат для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головки экспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучение разделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей (шесть или больше), которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или отключаются.

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт), инжекционный лазер.

5.4 Оптическая цифровая память

Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных, текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к которым предъявляются следующие требования:

более высокая емкость запоминающего устройства;

более высокая эффективность хранения архивных материалов,

лучшее соотношение между ценой и производительностью.

Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой информации.



Заключение

Таким образом мы видим что лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности.

Следует заметить что, высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.

Сами же полупроводниковые лазеры занимают заметную нишу в науке и приборостроении в целом. Они постоянно модернизируются и на мой взгляд в скором будущем мы увидим что-то новое ранее не известное.

Список использованных источников

1. КрыловК. И., ПрокопенкоВ. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники . Машиностроение 1990.

2. ЕлисеевП. Г.Введение в физику инжекционных лазеров.М: Наука 1983.

3. Справочник по лазерной технике. М: Энергоатомиздат, 1991.

4. Дьяков В. Ф. Тарасов Л. В. Оптическое когерентное излучение. М.: Советское радио, 1974.

5. Федоров Б. Ф. Лазеры. Основы устройства и применения. М.: ДОСААФ СССР, 1988.

6. КрыловК. И., Прокопенко В. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники. Машиностроение 1990.

7. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.