Напівпровідникові лазери

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступ

1. Напівпровідниковий лазер

2. Лазерні діоди

3. Застосування напівпровідникових лазерів

Список використаної літератури

Вступ

Напівпровідникові лазери - це лазери з посилюючої середовищем на основі напівпровідників, де генерація відбувається, як правило, за рахунок вимушеного випромінювання фотонів при міжзонних переходах електронів в умовах високої концентрації носіїв у зоні провідності . Формально, напівпровідникові лазери також є твердотільними лазерами, проте їх прийнято виділяти в окрему групу, тому що вони мають інший принцип роботи.

Без накачування більшість електронів знаходиться у валентній зоні. Пучок накачування з фотонами з енергією трохи більше ширини забороненої зони збуджує електрони і переводить їх у більш високоенергетичне стан в зоні провідності, звідки вони швидко релаксирують в стан поблизу дна зони провідності . Водночас, дірки, які генеруються у валентній зоні, переміщуються в її верхню частину. Електрони із зони провідності рекомбінують з цими дірками, випускаючи фотони з енергією, приблизно рівною ширині забороненої зони. Цей процес може також стимулюватися входять фотонами з відповідною енергією. Кількісний опис грунтується на розподілі Фермі - Дірака для електронів в обох зонах.

Більшість напівпровідникових лазерів є лазерними діодами з накачуванням електричним струмом, і з контактом між n - легованими і р- легованими напівпровідниковими матеріалами. Є також напівпровідникові лазери з оптичним накачуванням, де носії генеруються за рахунок поглинання збуджуючого їх світла, і квантово-каскадні лазери, де використовуються внутрізонних переходи.

Перераховані напівпровідники є прямозонних; напівпровідники з непрямою забороненою зоною, такі як кремній, не володіють сильним і ефективним світловим випромінюванням. Так як енергія фотона лазерного діода близька до енергії забороненої зони, напівпровідникові композиції з різними енергіями забороненої зони дозволяють отримати випромінювання з різними довжинами хвиль. Для трьох-і четирехкомпонентних провідників енергія забороненої зони може безперервно істотно змінюватися в деякому діапазоні . У

AlGaAs = AlxGa1 - xAs,

наприклад, підвищення вміст алюмінію (зростання х) приводить до розширення забороненої зони.

Крім вищезгаданих неорганічних напівпровідників, можуть також використовуватися органічні напівпровідникові з'єднання для напівпровідникових лазерів. Відповідна технологія ще молода, але вона бурхливо розвивається, оскільки перспективи дешевого і масового виробництва таких лазерів вельми привабливі. Досі були продемонстровані органічні напівпровідникові лазери тільки з оптичною накачуванням, так як з різних причин важко досягти високої ефективності за рахунок електричної накачування.

1. Напівпровідниковий лазер

Активне середовище

Напівпровідниковий лазер - лазер на основі напівпровідникового активного середовища. На відміну від лазерів інших типів, в них використовуються квантові переходи між дозволеними енергетичних. зонами, а не дискретними рівнями енергії. Лазерний ефект в напівпровідниковому лазері. пов'язаний в основному з міжзонною люмінесценцією. Тому довжину хвилі одного лазерного випромінювання можна виразити через ширину забороненої зони

де h - стала Планка, с - швидкість світла. Напівпровідникові лазери, перекривають спектральний діапазон від0,3 мкм до 45 мкм (рис. 2).

Рис. 1. Міжзонний оптичний перехід в напівпровідниках при накачуванні квантами з енергією, більшою за

У напівпровідникової активному середовищі може досягатися дуже великий показник. Посилення (до ) завдяки чому розміри П. л. виключно малі, напр. довжина резонатора може становити кілька мкм, типово - 200-300 мкм. Крім компактності, особливостями напівпровідникового лазера є мала інерційність високий ККД можливість плавного спектральної перебудови, великий вибір речовин для генерації в широкому спектральному діапазоні.

Рис. 2. Напівпровідники, використовувані в напівпровідникових лазерах, і спектральні діапазони випромінювання.

До достоїнствам напівпровідникових лазерів слід також віднести сумісність їх з напівпровідниковими приладами ін типів і можливість монолітної інтеграції, можливість електронного управління режимом генерації та параметрами випромінювання - довжиною хвилі, ступенем когерентності, числом спектральних мод і т. п., можливість ВЧ-модуляції випромінювання шляхом модуляції струму накачування, низьковольтний (<1 - 3 В) електроживлення, а також найбільшу серед лазерів ін типів довговічність (до г.).

Напівпровідниковий лазер включає в себе активний елемент з напівпровідникового монокристалу, найчастіше у формі бруска ("чіпа"). Власне активна область елемента зазвичай становить лише його малу частину, і її обсяг, наприклад, в сучасному, полосковому, інжекційному лазері, виявляється в межах Оптичний резонатор напівпровідникового лазера утворений або торцевими дзеркальними гранями активного елементу (виготовленого звичайно шляхом розколювання пластин по площинах спайності кристала), або зовнішніми відбивачами і складними пристроями з періодичними структурами зворотного зв'язку (бреггівськими відбивачами і структурами розподіленої зворотного зв'язку).

Накачка

Найважливішим способом накачування в напівпровідниковому лазері є інжекція надлишкових носіїв заряду через р - n - перехід, гетероперехід або інший нелінійний електричний контакт. На рис. 3 показаний інжекційний лазер з активною смужкою, витягнутої уздовж осі оптичного резонатора перпендикулярно двом плоскопаралельним торцях лазера. Через порівняно малих розмірів випромінюючого плями на торці інжекційного лазера випущене випромінювання сильно дифрагує при виході у зовнішнє середовище і його спрямованість виявляється невисокою (кут розходження лазерного пучка становить 20 - 40 ° і зазвичай помітно різниться у взаємно ортогональних площинах) . напівпровідник лазер фотон

Рис. 3. Полоскова інжекційний лазер: а - загальний вигляд в збірці; б - схема; в - перетин поблизу активної області (АТ).

Іншими способами накачування служать електронний пробій в сильному полі (наприклад в стримерному лазері), освітлення з оптич. накачуванням) і бомбардування швидкими електронами (з електронно-променевою пли електронним накачуванням) .

Напівпровідниковому лазері з накачуванням електронним пробоєм містить активний елемент у формі чіпа - резонатора з контактами для підбиття високовольтної напруги. У стримерному напівпровідниковому лазері використовується пробій при стримерного розряді в однорідному напівпровідниковому зразку високого опору. Напруга в цьому лазері підводиться у вигляді коротких імпульсів, а випромінює пляма швидко переміщається слідом за головкою (стримером) ел. розряду.

При використанні оптичного або електронно-променевого накачування активна область розташовується в при поверхневому шарі напівпровідникового зразка, і товщина цій області залежить від глибини проникнення енергії накачування. Залежно від взаємного розташування пучка накачування і лазерного променя використовують як подовжній, так і поперечний варіант геометрії накачування. Напівпровідниковий лазер з електронно-променевою накачуванням крім активного елементу (мішені) включає в себе електронну гармату. Особливістю лазерів з такою накачуванням є можливість швидкої зміни конфігурації накачування, напр. сканування зі швидкостями, що забезпечують відтворення телевізіонного зображення (лазерні проекції телебачення) .

Схематично процес виникнення посилення в напівпровідниках (для звичайних випадків міжзонних переходів) показаний на малюнку.

Рис. 4. Виникнення посилення в напівпровідниках

Conduction band - зона провідності, valence band - валентна зона, pumping - накачування, light emission - випромінювання світла.

Фізичний механізм

Робочі рівні в напівпровідниковому лазері звичайно належать енергетичних. зонам, тобто областям суцільного спектра енергетичних. станів, а активними частинками лазерної середовища є вільні носії заряду. Накачування забезпечує надходження надлишкових електронів в зону провідності та надлишкових дірок у валентну зону (наприклпд, оптичне накачування породжує надлишкові пари носіїв - електронів і дірок - за рахунок міжзонного поглинання) . Час вільного пробігу носія зазвичай мало (10-13 - 10-12 с) внаслідок швидких процесів внутрішньо-Різон релаксації носіїв (зокрема, електрон - електронних зіткнень, розсіяння на фононах і домішках і т. і .) . В результаті нерівноважні носії можуть "термалізуватися", тобто перейти на більш низькі енергетичних рівні в межах своєї зони, розподілившись по енергії відповідно до функції розподілу Фермі для електронів і дірок:

Т - абсолютна температура, квазірівні Фермі. Образно кажучи, електрони "скочуються" до "дна" зони провідності а дірки "спливають" до "стелі" валентної зони раніше, ніж рекомбинируют між собою. Час життя надлишкових носіїв, обмежене рекомбинацией, саме по собі досить мало проте воно істотно перевищує час вільного пробігу і час, необхідний для термалізації носіїв. Це справедливо і в тому випадку, коли використовується накачування активного середовища швидкими електронами, вихідна енергія яких брало становить еВ. Електрони накачування породжують лавину вторинних нерівноважних електронів і дірок, термалізующіхся до країв своїх зон. Час релаксації електронів великої енергії також дуже мало через можливість витрати енергії на іонізацію (породження вторинних пар) і на генерацію ВЧ-фоеонов.

Стан збудженої напівпровідникової середовища, при якому є надлишок концентрації носіїв, розподілених, однак, відповідно до фермієвського функціями називають квазірівноважної, підкреслюючи тим самим енергетичних. равновесность всередині кожної зони за відсутності рівноваги між зонами.

Мірою відхилення від рівноваги концентрації носіїв при квазірівноваги служить різниця квазірівнів Вимушені випромінювання переходи переважають над переходами з поглинанням, якщо ймовірність заповнення електронами верхніх робочих рівнів перевищує ймовірність заповнення ними нижчих рівнів. Ця умова зводиться до наступного нерівності:

Де енергія нижнього стану - енергія верхнього стану величина являє собою ймовірність заповнення відповідного стану електроном.

Різні типи напівпровідникових лазерів

* * Невеликі лазерні діоди порядку декількох милливатт (або до 0,5 Вт) вихідної потужності в пучку, з високою якістю пучка. Вони використовуються в лазерних указках, програвачах компакт-дисків і для оптичної волоконної зв'язку.

* * Напівпровідникові лазери з зовнішнім резонатором (ECDL - External cavity diode lasers) містять лазерний діод в якості активного середовища в більш довгому лазерному резонаторі . найчастіше вони можуть бути перебудовуватися по довжині хвилі, і володіти вузькою лінією випромінювання.

* * У монолітних лазерних діодах, а також в лазерах ECDL (з зовнішнім резонатором) малої потужності також може бути здійснена синхронізація мод для отримання надкоротких імпульсів.

* * Велика кількість лазерних діодів здатні генерувати до кількох ват вихідної потужності, але якість пучка вже буде значно гірше.

* * Потужні діоди об'єднують в масив з великою площею випромінюючої області. вони можуть генерувати десятки ват випромінювання, але з поганою якістю пучка.

* * Діодні лінійки, що містять безліч діодів, об'єднують один масив і використовують їх для отримання надзвичайно високих ступенів потужності порядку сотень або тисяч ват.

* * Поверхнево-випромінюючі лазери (VCSELs), випромінюють в напрямку, перпендикулярному пластині, забезпечуючи кілька милливатт потужності з високою якістю пучка.

* * Поверхнево-випромінюючі лазери (VCSELs) з оптичною накачуванням і зовнішнім резонатором (VECSELs) здатні генерувати кілька ват вихідної потужності з відмінною якістю пучка, навіть в режимі синхронізації мод.

* * Квантово-каскадні лазери працюють на внутрізонних переходів (а не міжзонних переходах) і, як правило, випромінюють в середній інфрачервоній області, іноді терагерцового діапазону. Вони використовуються в спектроскопії для для газового аналізу, для підсвічування в середньому ІК діапазоні і т.д.

Для отримання лазерного випромінювання з вузькою спектральної лінією використовуються лазери з вбудованим бреггівського відбивачем (DBR і DFB лазери), або з зовнішнім резонатором.

2. Лазерні діоди

Лазерний діод - напівпровідниковий лазер, побудований на базі діода. Його робота заснована на виникненні інверсії заселеність в області pn переходу при інжекції носіїв заряду.

Принцип дії

Коли на анод звичайного діода подається позитивний потенціал, то говорять, що діод зміщений в прямому напрямку. При цьому дірки із p - області інжектируються в n - область pn переходу, а електрони з n - області інжектируються в p - область напівпровідника. Якщо електрон і дірка виявляються "поблизу" (на відстані, коли можливе туннелирование), то вони можуть рекомбінувати з виділенням енергії у вигляді фотона певної довжини хвилі (в силу збереження енергії) і фонона (в силу збереження імпульсу, тому що фотон забирає імпульс) . Такий процес називається спонтанним випромінюванням і є основним джерелом випромінювання в світлодіодах. Однак, за певних умов, електрон і дірка перед рекомбінацієй можуть перебувати в однієї області простору досить довгий час (до мікросекунд) . Якщо в цей момент через цю область простору пройде фотон потрібної (резонансної) частоти, він може викликати вимушену рекомбінацію з виділенням другого фотона, причому його напрямок, вектор поляризації та фаза будуть в точності збігатися з тими ж характеристиками першого фотона.

У лазерному діоді напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної пластинки. Така пластинка по суті є оптичним хвилеводом, де випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі . Верхній шар кристала легується для створення n - області, а в нижньому шарі створюють p - область. У результаті виходить плоский pn перехід великої площі. Дві бічні сторони (торці) кристала поліруються для утворення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, званий резонатором Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, спущений перпендикулярно цим площинам, пройде через весь оптичний хвилевід і кілька разів відіб'ється від торців, перш ніж вийде назовні. Проходячи вздовж резонатора, він викликатиме вимушену рекомбінацію, створюючи нові і нові фотони з тими ж параметрами, і випромінювання посилюватиметься (механізм вимушеного випромінювання). Як тільки посилення перевищить втрати, почнеться лазерна генерація.

Лазерні діоди можуть бути декількох типів. В основної їх частини шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямку, паралельному цим верствам. З іншого боку, якщо хвилевід зробити досить широким порівняно з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим (англ. " multi - mode "). Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова гарної збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання) . Такими областями застосувань є: друкують устрою, хімічна промисловість, накачування інших лазерів. З іншого боку, якщо потрібна хороша фокусування променя, ширина хвилеводу повинна виготовлятися порівнянної з довжиною хвилі випромінювання. Тут вже ширина променя буде визначатися тільки межами, що накладаються дифракцією. Такі пристрої застосовуються в оптичних запам'ятовуючих пристроях, лазерними вказівками, а також в волоконної техніці. Слід, однак, зауважити, що такі лазери не можуть підтримувати декілька поздовжніх режимів, тобто не можуть випромінювати на різних довжинах хвиль одночасно.

Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p - і n - областей напівпровідника.

У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході діода, завдяки дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати збирають лінзи. Для багатомодових широких лазерів найбільш часто застосовуються циліндричні лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичних, так як розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Наочно все це видно на прикладі променя лазерної указки.

У найпростішому пристрої, який було описано вище, неможливо виділити окрему довжину хвилі, виключаючи значення, характерне для оптичного резонатора. Однак в пристроях з декількома поздовжніми режимами і матеріалом, здатним посилювати випромінювання в досить широкому діапазоні частот, можлива робота на декількох довжинах хвиль.

Рис.5. Лазерні діоди

У багатьох випадках, включаючи більшість лазерів з видимим випромінюванням, вони працюють на єдиній довжині хвилі, яка, проте володіє сильною нестабільністю і залежить від безлічі чинників - зміни сили струму, зовнішньої температури і т. д. В останні роки описана вище конструкція найпростішого лазерного діода піддавалася численним удосконаленням, щоб пристрої на їх основі могли відповідати сучасним вимогам.

Лазери з розподіленим бреггівського відбивачем (DBR-лазери)

Лазер з розподіленим бреггівського відбивачем, скорочено РБО-лазер (англ. distributed Bragg reflector laser скор., DBR-laser) - лазер, де в якості дзеркал резонатора використовується як мінімум один розподілений бреггівського відбивач (РБО), що знаходиться поза активного середовища (активного шару).

РБО - це бреггівського дзеркало, тобто світло відбиваючий пристрій, заснований на бреггівського відображенні в структурі. У більшості випадків, ефект від дії бреггівського дзеркала подібний багатошаровому діелектричному дзеркалу, що забезпечує максимальний рівень відображення для заданого числа шарів. Як правило, DBR-лазери - це лазерні діоди, але цей термін також іноді застосуємо до волоконним лазерам, що містить бреггівського грати. Більшість твердотільних об'ємних лазерів також використовують як лазерних - бреггівського дзеркала. Тим не менш, такі лазери не можна називати DBR-лазерами. DBR-лазер відрізняється від DFB-лазера, де в активне середовище вбудована тільки одна структура з розподіленим відбивачем.

Волоконні лазери з бреггівського гратами

Лазери даного типу зазвичай мають лінійний резонатор, утворений в активному (легованому рідкоземельними елементами) волокні, між двох волоконних брегговскіх грат. У порівнянні з волоконними DFB - лазерами, в резонатор яких входить тільки одна решітка, волоконні DBR- лазери мають більш довгий резонатор, що дозволяє одержувати більш високу вихідну потужність. Вони мають кращу енергетичну ефективність і меншу ширину лінії генерації. З іншого боку, це може також призводити до менш надійного одночастотних режиму роботи лазера або до многомодовому, з, відповідно, набагато більшою шириною смуги випромінювання. одночастотні волоконні DBR- лазери володіють схожою вихідною потужністю з лазерними DBR- діодами: це десятки, а іноді більше ста милливатт.

Досяжний діапазон перебудови волоконних DBR лазерів становить десятки нанометрів.

3. Застосування напівпровідникових лазерів

Області застосування напівпровідникових лазерів:

* * Лазерні діоди високої потужності використовуються як високоефективні джерела накачування для твердотільних лазерів (лазерів з діодним накачуванням) . дозволяють здійснювати електричну накачування з невисоким електричною напругою і високим ККД. Довжина хвилі випромінювання діодних лазерів підбирається, виходячи з необхідної довжини хвилі накачування.

* * Діапазон можливих довжин хвиль генерації лазером діодів дуже великий і охоплює велику частину видимої, ближньої інфрачервоної області та середньої інфрачервоної області спектра. Деякі лазерні діоди також дозволяють перебудовувати довжину хвилі.

* * Невеликі лазерні діоди дозволяють здійснювати швидке перемикання і модуляцію оптичної потужності, що дозволяє їх використовувати, наприклад, в передавачах оптоволоконних ліній.

За своїми характеристиками напівпровідникові лазери є найбільш важливим типом лазерів. Їх застосування набуло надзвичайно широке поширення, у тому числі, в таких різноманітних галузях, як оптична передача даних, оптична запис інформації, метрологія, спектроскопія, обробка матеріалів, накачування твердотільних лазерів, а також різні види медицини.

Список використаної літератури

1. Х.Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах, т. 1. М.:"Мир", 1981.

2. W. Streifer, R.D. Burnham, D.R. Scifres,

3. EE J. Quantum Electron., 12 177 (1976)

4. В.П. Швейкин, А.П. Богатов, А.Е. Дракин, Ю.В. Курнявко,

5. Квантовая электроника, 26 33 (1999)

6. R.E. Smith, G.W. Forbes, S.N. Houde-Walter,

7. EE J. Quantum Electron., 29(4) 1031 (1993)

8. B.B. Поповичев и др., Квантовая Электроника, 32 (21) 1099 (2002)

9. A.A. Stratonnikov, А.Р. Bogatov, А.Е. Drakin, F.F. Kamenets,

10. J. Opt. A: Pure and Applied Optics 4 535 (2002)

11. E. Anemogiannis, E.N. Glytsis, Th.K. Gaylord,

12. J. Lightwave Technol. 12 2080 (1994)

Размещено на Allbest.ru