1.8. Твердотельные лазеры

В этих лазерах в качестве активной среды используются кристаллические или аморфные (стеклообразные) диэлектрики, содержащие центры люминесценции (активные центры). Твердотельный активный элемент выполняется в виде цилиндрического стержня, на торцы которого наносят зеркальные покрытия, образующие резонатор (однако, резонаторы могут быть и внешними). Рассмотрим основные особенности твердотельных лазеров.

В связи с тем, что концентрация активных центров в твердом теле гораздо выше, чем в газах, то при небольших размерах можно получать значительные мощности лазерного излучения.

Большинство реальных твердотельных лазеров имеет длину до нескольких десятков сантиметров (хотя, в принципе возможно получение l_р<1см) при диаметре d=0,5…5см. Такие размеры определяют малую расходимость лазерного луча (_изл=1⁰). Из-за высокой концентрации активных атомов их энергетические уровни расщепляются в зоны. Поэтому монохроматичность этих лазеров хуже, чем у газовых, но лучше чем у полупроводниковых лазеров. Для них коэффициент монохроматичности /_max10^-4.

Как правило, почти все твердотельные лазеры имеют оптическую систему накачки. Чаще всего для этих целей используют излучение газоразрядных ламп, но иногда используют светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Применение оптической накачки снижает КПД этих лазеров.

Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер. При этом использовались кристаллы синтетического рубина с содержанием хрома 0,05% (розовый цвет) и 0,5% хрома (ярко красный цвет). Основная особенность рубинового лазера это генерация излучения в видимой части спектра: _изл=0,694мкм. При работе в непрерывном режиме мощность излучения P_непр=0,1…1Вт.

Наиболее оптимальными параметрами среди твердотельных лазеров обладают лазеры на иттрий–алюминиевом гранате, активированном неодимом (ИАГ: Nd). Его состав Y₃Al₅O₅. Причем в его решетке часть атомов иттрия замещено ионами неодима. ИАГ: Nd лазер генерирует на длине волны =1,06 мкм, что почти оптимально для волоконно-оптических линий связи так как на этой длине волны потери малы. При использовании _изл=0,53 мкм мы оказываемся в спектральной области, обеспеченной высокоскоростными фотодиодами с барьером Шоттки. Эти лазеры способны обеспечить в непрерывном режиме оптическую мощность P_непр=10…10⁴Вт, P_имп=30…300кВт ( при t_и=30нс, f=10⁸…10⁹Гц).

Сравнение неинжекционных лазеров с инжекционными показывает, что они более громоздки, принципиально гибридны, в них используются вакуумированные объемы, требуется применение сложного и дорогостоящего сопутствующего оборудования. Главные недостатки газовых и твердотельных лазеров – это невозможность внутренней модуляции излучения. Эксплуатационные характеристики неинжекционных лазеров также не всегда удовлетворительны. Так долговечность большинства из них не превышает (0.5…5)10³ час, рабочая температура газовых лазеров иногда ограничена узким диапазоном –10…+40⁰С. Все это приводит к тому, что неинжекционные лазеры применяются лишь в отдельных областях оптоэлектроники: газовые лазеры пока не заменимы в голографических ЗУ, твердотельные – в лазерной локации, лазеры с электронным возбуждением перспективны в проекционном телевидении.

Инжекционные лазеры непрерывно прогрессируют и все увереннее вытесняют другие типы лазеров.

2. Полупроводниковые фотоприемники оптического излучения

Фотоприемники – это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Принцип действия полупроводниковых фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках – т.е. процессе образования дополнительных носителей заряда (фотоносителей) внутри структуры под действием оптического излучения.

В полупроводниковых фотоприемниках используются две формы внутреннего эффекта: фотогальванический эффект и эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с p-n переходом, с гетеропереходом и т.д.). При этом внутреннее электрическое поле перехода разделяет фотоносители, образовавшиеся под действием оптического излучения

Эффект фотопроводимости состоит только в создании фотоносителей. Результатом изменения концентрации носителей в полупроводнике является увеличение его проводимости.

Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников. Фотогальванический эффект – в фотодиодах, фототранзисторах, в фоторезисторах и других фотоприемниках с p-n переходами, а эффект фотопроводимости – в фоторезисторах. Из этого разнообразия фотоприемников требованиям высокоскоростной оптоэлектроники наиболее полно отвечают фотодиоды.