Контрольныевопросы

1. ОбъяснитесхемувозбужденияАСИАГ-лазера.

2. КакподбираетсяисточникоптическойнакачкиИАГ-лазера?

3. ПочемуИАГ-лазер способенработатьвнепрерывномрежиме?

4. ЧемопределяетсяКПДАСИАГ-лазера?

5. ДайтепоясненияпоконструкцииИАГ-лазера.

6. КакможнообеспечитьмаксимальныйКПДнакачкиИАГ-лазера?

7. ПочемувИАГ-лазереиспользуетсядвухконтурнаясхемаводяногоохлаждения?

8. ЧемопределяетсядлинаволныгенерацииИАГ-лазера?

9. ИзкакихсоображенийвыбираетсяактиваторыТТЛ?

10. Какможет влиятьтемпературный режимнаработуИАГ-лазера?

11. КакреализуетсярежиммодулированнойдобротностиТТЛ?

12. Чемопределяетсястепеньпревышенияимпульсноймощностинадсреднимуровнем?

13. Объяснитезависимостьсреднеймощностиотчастотымодуляции?

14. Объяснитезависимостьимпульсноймощностиотчастоты.

15. Объяснитеидеюработыакустооптическогозатвора?

16. Какспомощьюэлектромеханическогомодулятораможноопреде-литьдиаметр лазерногопучка?

17. Чемопределяетсяформаимпульсовмеханическогомодулятора?

18. Существуетли,навашвзгляд,предельнаячастотаврежимемоду-ляциидобротности?

19. Каквлияетвремя жизниВЛУнавидзависимостиP_max/P=f(F)?

3. Инжекционныеполупроводниковыелазеры

Активные полупроводниковые среды могут возбуждаться оптическимметодом,методомэлектроннойбомбардировкиипропусканиемпрямогоэлектрического тока через сформированный в активной зоне полупроводникар–n-переход. В настоящее время из всех типов полупроводниковых лазеровстадиипромышленногоизготовленияипрактическогоиспользованиядо-стиглилишьинжекционныелазеры(ИППЛ),возбуждаемыезасчетпропус-

кании электрического тока черезp-n–переход лазерного диода. Все серийныеполупроводниковые лазеры являются инжекционными (ИППЛ). Преимуще-ствами ИППЛ по сравнению с другими типами лазеров являются малые га-бариты, высокий КПД, широкая полоса частот модуляции излучения, воз-можность перестройки длины волны генерации, высокие удельные энергети-ческиехарактеристики.МалыеразмерыизлучающейобластиприводяткзначительнойдифракционнойрасходимостиизлученияИППЛ,которуюуспешноуменьшаютзасчетиспользованиявстроеннойкороткофокусноймикрооптики.ОтдельныеИППЛмогутгенерироватьмощностиведини-цы…десятки ватт, лазерные сборки – десятки… сотни ватт и более. Указан-ныесвойствавывелиИППЛвпоследниегодыналидирующиепозициикакпо объёмам финансирования разработок и производства, так и по массовостиприменения.

При приложении кp-n-переходу прямого напряженияUпотенциаль-ный барьер снижается (компенсируется) на величинуeU,тем самым обеспе-чивается протекание тока. Происходит инжекция неосновных носителей –электронов изn-области вp-область и встречная инжекция дырок. За счетинжекциинеосновныхносителейвn-иp-областяхформируютсянеравно-

весные распределения с соответствующими квазиуронями ФермиF_eиF_p.Кванты в полупроводнике возникают в результате излучательной рекомби-нации электронов с дырками. Длина волны λ излучения ИППЛ в первом при-ближении определяется энергетической шириной ΔEзапрещенной зоны ис-пользуемогокристалла.Потолщинеdобластьрекомбинацииограниченадлинойсвободногопробегадырокпорядка10^–6м.Инверсноесостояниепо-

лупроводника соответствует условиюF_e–F_p> ΔE. Это означает, что на бо-лее высоком энергетическом уровне (на “дне” зоны проводимости) оказыва-ется большее число электронов, чем на нижнем уровне (у “потолка” запол-ненной зоны). В этом случае процессы вынужденного излучения будут пре-обладатьнадпроцессамипоглощения ивозникнетусиление.

Прикладываемоекp-n–переходу напряжениенеможет бытьбольшеΔE,поэтомуВАХИППЛ имеет участок насыщения.

ИсторическипервыеинаиболеераспространенныенасегодняИППЛна основе GaAs-GaAlAs генерируют в области 800...900 нм. Используютсятакже лазерные материалы на основе GaP, JnP, GaN и другие. Благодаря пря-мому преобразованию тока в излучение ИППЛ обладают по сравнению сдругимитипамилазероввысокимКПД,низкимэнергопотреблениемивысо-

кими значениями показателя κ_{усусиления. Например, для инжекционного}лазера на основе арсенида галлия κ_усдостигает 10⁴м^–1при комнатной тем-пературе и 10⁶...10^7м–1при криогенной температуре. При столь высокомусилении обеспечиваются лазерный эффект в полупроводниковых элементахпротяженностьювсотнимикрометрови,соответственно,миниатюрностьприбора в целом. Непрерывные ИППЛ обеспечивают мощность генерации науровне10^-3...10^1Вт.

Необходимую длинуLактивной среды получают сколом по гранямкристалла (границам спайности), которые образуют зеркала ИППЛ. Лучеваястойкость граней к собственному излучению определяет предельную мощ-ностьPгенерации. На грани могут наноситься просветляющие или отража-ющие покрытия. Когерентное излучение выходит в направлении осиz,пер-пендикулярной торцу излучающей областиp-n–перехода лазерного диода.Толщинаdобластиp-n–перехода составляет 0,2 ... 1 мкм, а ширинаDне пре-вышает единиц–десятков мкм. Для подавления поперечных типов колебанийнерабочиеповерхностикристалла могутделатьсяшероховатыми.

Первые ИППЛ были созданы на основеp-n–гомопереходов, образован-ныхвполупроводниковыхсоединенияходноготипа.Ониобладалинизкими

генерационными характеристиками, большим пороговым токомI_пор, малымКПД и требовали глубокого охлаждения. Высокие потери в первых полупро-водниковых лазерах были обусловлены распространением излучения из ак-тивной областиp-n–перехода в соседние неактивные области и последую-щим его поглощением. Кроме того, часть электронов за счет большой скоро-сти проходили через активную зону, не рекомбинируя с дырками и, такимобразом,не участвуя вгенерации.

Для уменьшения токовых и оптических потерь в полупроводнике былипредложены гетеропереходы:p-n–иp-p–переходы различных полупровод-ников, отличающихся шириной запрещенной зоны. В односторонней гетеро-структуре (ОГС) активная область из GaAsp-типа ограничена с одной сторо-ны эмиттером из GaAsn-типа, а с другой –GaAs-GaAlAs – тройным соедине-нием того же типа проводимости, что и активный слой (рис. 7.6). Наличиепотенциального барьера на гетеропереходе обеспечивает локализацию элек-тронов, инжектируемых из эмиттера в активный слой. Показатель преломле-нияnуактивногослоявыше,чемуокружающихслоев,азначит,возможно

полное внутреннее отражение, и, следовательно, ОГС обладает волноводны-ми свойствами.

Поскольку скачки показателя преломленияна границах переходанеравны (Δn₁≠ Δn₂),образуется несимметричный волновод. Оптимальная тол-щинаактивногослояОГС–порядка 2мкм.Суменьшениемтолщиныd

ОГС-слояеговолноводныесвойстватеряются;сувеличениемdвозрастает

объем активности области и увеличивается пороговый токI_пор, прямо про-порциональныйd.ОГСиспользуетсявосновномвимпульсныхлазерах,обеспечивая достаточно высокую импульсную мощность. Характерные ча-стотыповторенияимпульсовсоставляютдоли–десяткикилогерц.

x

Рис.7.6.Односторонняягетероструктура

Непрерывные инжекционные лазеры строятся на основе двойной гете-роструктуры (ДГС), в которой по сравнению с ОГС введен дополнительныйслой легированного полупроводника GaAlAsn-типа, расположенный междуэмиттеромиактивнымслоем.Врезультатескачкипоказателяпреломления

на границах выравниваются: Δn₁= Δn₂.Формируется симметричный волно-вод, уменьшающий потери квантов. Оптимальная толщинаdснижается до0,25мкм,ипадаетI_пор.ДальнейшееснижениеI_{пордостигается}вполосковых

лазерах(рис.7.7)засчетуменьшениярастеканиятокапообъемуполупро-

водника.ШиринаконтактнойполоскиDсоставляетобычноединицы–десятки микрометров, в мощных ИППЛ 100 …50 мкм. Остальная часть верх-него кон тактаизолирована отДГСдиэлектрическимпокрытием.

К недостаткам полосковых ИППЛ относятся нелинейная энергетиче-скаяхарактеристикаP=f(I),обусловленнаяотсутствиемволноводныхсвойствактивнойзонывнаправлениикоординатыу,возрастаниеI_порзасчет

растекания тока под металлический контакт при уменьшении ширины полос-киниже10...20мкм,атакжемногомодовыйрежимгенерации.Волноводные

свойства и пох, и поy, а также снижениеI_пордо десятков миллиампер, реа-лизуются в канальных лазерах. Их структура аналогична полосковым, но вних по координатеyцеленаправленным легированием создан двухстороннийпоотношениюкактивной зоне скачокпоказателяпреломления.

x

SiO₂

z

Плоскость

Рис.7.7.СтруктураполосковогоИППЛнаосновеДГС

Спектр излучения ИППЛ зависит от соотношения усиления и потерь.До порога генерации излучение лазера носит спонтанный однопроходныйхарактер и занимает всю полосу длин волн лазерного перехода. При превы-шении усиления над потерями спектральная линия излучения сжимается доединиц нанометров. Рост тока накачки сопровождается нагревом кристалла,вследствие чего потери в полупроводнике возрастают за счет активизациипроцессов безызлучательной рекомбинации и спонтанного излучения. Крометого, повышение температуры полупроводника вызывает дрейф контура уси-лениявсторонубольшихзначений длинволн.

Малые, сопоставимые с λ размерыdиDизлучающей области приводятк сильной дифракционной расходимости θ пучка излучения ИППЛ. В допо-роговом режиме θ составляет десятки угловых градусов. С ростом усиленияприпереходеотспонтанногоизлучениякиндуцированномудиаграмманаправленности ИППЛ в плоскостиp-n–перехода сужается до единиц угло-вых градусов. В плоскости, перпендикулярной переходу, где λ ~d, она со-храняетсяпрактическинаначальномуровне.Уменьшениерасходимости

пучкаИППЛвозможноприиспользованиивстроеннойкороткофокуснойоп-тики.

Излучение ИППЛ может успешно модулироваться током накачки, по-скольку на рабочем участке зависимостьP = f(I) достаточно близка к линей-ной. Диапазон частот модуляции, ограничиваемый в основном инерционно-стью процесса электронно-дырочной рекомбинации, рекордно велик и дости-гаетединиц гигагерц.

ИППЛиспользуютсявволоконно-оптическихлинияхсвязи;оптоэлек-тронных устройствах; устройствах считывания, обработки и воспроизве-дения информации; дальномерах малого радиуса действия; приборах ноч-ного видения; устройствах посадки летательных аппаратов; стыковки кос-мических объектов; в медицине и т. д. Основными путями развития ИППЛявляются повышение срока службы до 10⁴...10⁵ч, поиск новых активныхсред в целях расширения диапазона длин волн генерации, снижение поро-говой плотности тока до долей–единиц ампер на квадратный сантиметр ирабочих токов накачки до уровня, обеспечивающего согласование лазер-ных диодовс микросхемами.

Контрольныевопросы

1. Сформулируйтеусловияусиленияизлучениявполупроводнике.

2. ЧтотакоеквазиуровниФерми?

3. ЧемопределяетсяI_{порИППЛ,}икаковыпутиего уменьшения?

1. Чтотакоеодносторонняяидвухсторонняягетероструктуры?

2. Какреализуютсяраздельныефотонноеиэлектронноеограничениявгетеролазерах?

3. ЧемопределяетсядлинаволныгенерацииИППЛ?

4. ВчемпричинывысокогоКПДИППЛ?

5. НазовитеосновныевидыпотерьизлучениявИППЛ?

6. ПочемуразличаютсяспектральныехарактеристикиидиаграммынаправленностиизлученияИППЛвдопороговомивлазерномрежимах?

7. ВчемсостоитпричинаразличиярасходимостиИППЛвплоскостяхпараллельнойиперпендикулярнойp-n–переходу?

8. КаквлияеттепловойрежимнахарактеристикиизлученияИППЛ?

9. ЧемограничиваетсяпредельнаямощностьизлученияИППЛ?

10. КаквозникаетизлучениевИППЛ?

11. ЧтоограничиваетпротяженностьактивнойсредыИППЛ?