Что значит "полупроводниковый лазер"

лазер, активная среда которого - полупроводниковый кристалл. Полупроводниковый лазер имеет малые размеры (50 мкм - 1 мм), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки. Полупроводниковый лазер генерирует излучение в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм. Наиболее распространенный способ накачки - инжекция носителей через гетеропереход (гетеролазер). Применяют в оптической связи и локации, оптоэлектронике и др.

полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело ). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. ≈ малые размеры и компактность (объём кристалла ~10-6≈10-2см3). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 104 см-1 (см. Усиления оптического показатель ), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30≈50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм. Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения ( люминесценция ) или передаваться колебаниями кристаллической решётки , т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%. Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод ). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла ≈ состояние с инверсией населённостей . Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l » hc/DE, где h ≈ Планка постоянная , с ≈ скорость света. Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если ═и ═≈ квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n ≈ частота излучения) выражается формулой: ≈ > hn. Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление. В П. л. применяют следующие методы накачки:

1. инжекция носителей тока через р≈n-переход (см. Электронно-дырочный переход ), гетеропереход или контакт металл ≈ полупроводник (инжекционные лазеры);

2. накачка пучком быстрых электронов;

3. оптическая накачка;

4. накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

   Инжекционные лазеры. Лазер на р≈n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р≈n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20≈40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

   Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами , один из которых (типа р≈n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р≈р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П. л. На р≈n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р≈n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

   П. л. инжекционного типа (рис. 5) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм) и около 10 мвт (PbxSn1-xTe) в средней ИК области (l = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров ≈ слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

   П. л. с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 103≈106 эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W/3DE. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П. л. достигает 106вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6). П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой ≈ возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~1/3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE, а испускается фотон с энергией ~DE

   Полупроводниковые лазерные материалы. В П. л. используются главным образом бинарные соединения типа А3В5, А2В6, А4В6 и их смеси ≈ твёрдые растворы (см. табл.). Все они ≈ прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

   Применение П. л.: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне , логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография ), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.);

5. обнаружение загрязнений и примесей в различных средах;

6. лазерное проекционное телевидение (рис. 8).

   Полупроводниковые лазеры (Э ≈ накачка электронным пучком; О ≈ оптическая накачка; И ≈ инжекционные лазеры; П ≈ накачка пробоем в электрическом поле)

   Полупроводник

   Длина волны излучения, мкм

   Максимальная рабочая температура, К

   Способ накачки

   ZnS

   ZnO

   Zn1-xCdxS

   ZnSe

   CdS

   ZnTe

   CdS1-xSex

   CdSe

   CdTe

   0,32

   0,37

   0,32≈0,49

   0,46

   0,49≈0,53

   0,53

   0,49≈0,68

   0,68≈0,69

   0,79

   77

   77

   77

   77

   300

   77

   77

   77

   77

   Э

   Э

   Э

   Э

   Э, О, П

   Э

   Э, О

   Э, О

   Э

   GaSe

   GaAs1-xPx

   AlxGa1-xAs

   InxGa1-xP

   GaAs

   lnP

   InxGa1-xAs

   InP1-xAsx

   InAs

   InSb

   0.59

   0,62≈0,9

   0,62≈0,9

   0,60≈0,91

   0,83≈0,90

   0,90≈0,91

   0,85≈3,1

   0,90≈3,1

   3,1≈3,2

   5,1≈5,3

   77

   300

   300

   77

   450

   77

   300

   77

   77

   100

   Э, О

   Э, О, И

   О, И

   О, И

   Э, О, И, П

   О, И, П

   О, И

   О, И

   Э, О, И

   Э, О, И

   PbS

   PbS1-xSx

   PbTe

   PbSe

   PbxSn1-xTe

   3,9≈4,3

   3,9≈8,5

   6,4≈6,5

   8,4≈8,5

   6,4≈31,8

   100

   77

   100

   100

   100

   Э, И

   О, И

   Э, О, И

   Э, О, И

   Э, О, И

   Историческая справка. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым , Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р≈n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р≈n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании П. л. с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

   Лит.: Басов Н. Г.. Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р≈n-переходах вырожденных полупроводников, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1961, т. 40, в. 6; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, «Успехи физических наук», 1965, т. 85, в. 4; Пилкун М., Инжекционные лазеры, «Успехи физических наук», 1969, т. 98, в. 2; Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, «Квантовая электроника», 1972, ╧ 6 (12); Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения Инжекционных полупроводниковых лазеров, «Успехи физических наук», 1969, т. 97, в. 4.

   П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер , в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник . В таком лазере, в отличие от лазеров других типов , используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов , молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется :

• непосредственно электрическим током ;
• электронным пучком;
• электромагнитным излучением.

Под именем полупроводниковых часто встречается гибридный лазер из мощного светодиода накачки и наклеенного на него твердотельного активного элемента. Плюс таких лазеров в том что светодиодную структуру накачки можно сделать довольно протяженной и, соответственно, мощной. Механические деформации от нагрева меньше сказываются на активном элементе. «Полупроводниковые» лазеры с мощностями единицы-десятки ватт делают в основном именно по такой технологии. Визуально отличить гибридный лазер от полупроводникового довольно сложно.

Поскольку в полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают коллективно атомы, составляющие кристаллическую решётку , сам лазер может обладать очень малыми размерами.

Другими особенностями полупроводниковых лазеров являются высокий КПД , малая инерционность, простота конструкции.

Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход . В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок .