Такая схема позволяет плавно перестраивать длину волны излучения в пределах полосы излучения красителя. Для этого поворотом выходного зеркала M2 достигается резонансная настройка частоты выходного излучения, при этом спектральная ширина составляет от 0,01 до 0,02 нм. С другой стороны, лазеры на красителях могут работать в режиме импульсов сверхкороткой длительности (до 25 фс). КПД жидкостных лазеров с накачкой в видимом диапазоне достигает 40 %.

5.3.Полупроводниковые лазеры

Вклассической физике лазеров рассматриваются активные среды, характеризующиеся наличием относительно узких дискретных энергетических уровней. Инверсия населенностей в этом случае создается между верхним дискретным и нижележащими энергетическими уровнями. Отличительной особенностью полупроводниковых лазеров является инверсия на переходах между состояниями в широких электронных энергетических зонах полупроводникового кристалла. В этом случае нельзя использовать волновую функцию отдельного атома, так как она определяется кристаллом в целом. Энергетическая схема уровней и переходы между ними, на которых основана принцип действия полупроводникового лазера, приведена на рис. 5.9.

Энергетическую диаграмму полупроводников можно представить в виде зонной структуры. Валентная зона, которая при температуре 0 К заполнена полностью, отделена от пустой зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 5.9, а). Под действием внешнего поля (например, энергии накачки) электроны переходят в зону проводимости. Внутри этой зоны электроны за очень короткое время (~10–13 с) переходят на ее самый нижний уровень, а все электроны вблизи максимума валентной зоны также перейдут на самые нижние из незанятых уровней, оставляя верхнюю часть свободными, т. е. заполненными «дырками». Таким образом, между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия населенностей (рис. 5.9, б). При переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинация) испускается фотон. Если такой полупроводник поместить в резонатор и обеспечить определенное пороговое условие, то вынужденное рекомбинационное излучение приведет к лазерной генерации в полупроводнике.

90

а)

б)

Рис. 5.9. Схема энергетических уровней и переходов в полупроводниках: а) валентная зона V заполнена полностью, зона проходимости С пуста; б) между зоной проводимости и валентной зоной возникает

инверсия населенностей

Полупроводниковые лазеры по способу накачки можно разделить на четыре типа: 1) инжекционные, с накачкой электрическим током; 2) лазеры с оптической накачкой; 3) лазеры с электронной накачкой пучком быстрых электронов; 4) лазеры с накачкой пробоем в электрическом поле.

Важным отличием инжекционных лазеров является электропроводность полупроводника, позволяющая осуществлять накачку электрическим током и тем самым непосредственно преобразовать электрическую энергию в лазерное излучение.

С практической точки зрения наиболее существенны следующие достоинства инжекционных лазеров:

1)компактность, обусловленная гигантским коэффициентом усиления (~104 см–1 ) в полупроводниках;

2)большой КПД (до 70 %), обусловленный высокой эффективностью преобразования подводимой электрической энергии в лазерное излучение;

3)широкий диапазон длин волн генерации от 0,3 до 30 мкм, обусловленный шириной запрещенной зоны полупроводникового материала;

91

4)возможность плавной перестройки генерации, связанная с зависимостью спектрально-оптических свойств полупроводника от температуры, давления и магнитного поля;

5)малоинерционность, обусловленная малостью времени релаксации, приводящая к возможности модуляции излучения изменением тока накачки с частотами, достигающими 10 ГГц;

6)простота конструкции, связанная с возможностью накачки постоянным током.

Для получения инжекционных лазеров требуется высокосовершенная технология выращивания и легирования. Однако для оптической накачки достаточно пользоваться однородными образцами р- и n-типа, слабо и сильно легированными проводниками. При этом вначале энергия внешнего оптического излучения преобразуется в энергию различных возбужденных состояний кристалла, а затем некоторая ее часть снова возвращается

влазерное излучение. Эффективность этих процессов определяется как характеристиками света накачки, так и свойствами полупроводника.

При накачке пучком быстрых электронов в полупроводнике образуется неравновесные носители тока за счет многоступенчатой ионизации. Накачка быстрыми электронами позволяет получить генерацию в широкозонных полупроводниках с длиной волны короче 0,6 мкм, где инжекционные лазеры не работают.

Наряду с наибольшим КПД (около 70 %) полупроводниковые лазеры обладают также и высоким спектральным разрешением. На рис. 5.10 приведена типичный спектр излучения полупроводникового лазера.

Согласно формуле L = mλ0/2n длина резонатора должна содержать целое число полуволн, распространяющихся в активной среде полупроводника. Здесь m – целое число, n – показатель преломления активной среды. Из этой формулы можно вычислить спектральную ширину между соседними линиями ∆λ = λ2/2Ln. Для кристалла GaAs (λ = 0,85 мкм), получаем ∆λ = 3,9Å.

Таким образом, благодаря своим высоким КПД и спектральным характеристикам полупроводниковые лазеры находят широкое применение

вразличных областях науки и техники.

92

Энергия hv, эВ

Рис. 5.10. Типичный спектр излучения полупроводникового лазера

5.4. Лазеры на свободных электронах

Под лазерами на свободных электронах (ЛСЭ) обычно понимают устройства, в которых происходит усиление или генерация когерентного электромагнитного излучения пучком релятивистских свободных электронов. В этом лазере электронный пучок, совершающий поступательное движение со скоростью, близкой к скорости света, находится в магнитном поле периодической структуры. Процесс вынужденного излучения происходит за счет взаимодействия электромагнитного поля лазерного пучка с релятивистскими электронами, движущимися в периодическом магнитном поле (в ондуляторе). Благодаря использованию релятивистских эффектов возможна генерация коротковолнового излучения в макроскопических системах. В случае ондуляторной накачки (рис 5.11) длина волны генерируемого излучения ЛСЭ будет составлять λg = Λ0/2γ2, где Λ0 – период ондулятора, γ2 = (1 – v2/c2) –1/2 – релятивистский фактор электронного пучка, обусловленный продольной скоростью частиц пучка. При Λ0 = 1 см, γ2 = 102 имеем λg = 10–4 см, что соответствует оптической области спектра.

93