1.4. Квантовые переходы в четырехуровневых системах

Наиболее известными лазерами, которые имеют четырехуровневую систему, являются лазеры на иттрево-алюминиевом гранате – YAG-лазеры. Активными ионами являются трехвалентные ионы неодима Nd⁺³. Коцентрация ионов составляет ~1,3·10²⁰ см^-3 (~5%), что позволяет значительно увеличить квантовый выход по сравнению с рубиновым лазером. Уровни ионов Nd⁺³, которые участвуют в лазерной генерации, имеют вид (рис.1.7).

YAG - Nd⁺³ лазеры могут работать в непрерывном и импульсном режиме с К.П.Д. ~ 2%. Накачка производится ксенонывыми или криптоновыми лазерами.

Уровни энергии ионов Nd⁺³ сохраняют свою индивидуальность в различных твердых средах, включая силикатные или фосфатные стекла. Так как получение больших кристаллов YAG затруднено, то получили распространение лазеры на стекле с неодимом. Из-за худшей теплопроводности стекла, такие лазеры работают, как правило, в однократном импульсном режиме с модуляцией добротности резонатора и имеют t_и ~ 3 нс и E_и ~ 1 кДж.

Р

ассмотрим четырехуровневую систему (рис.1.8), в которойP₁₃ – вероятность перехода с основного уровня 1 на уровень накачки 3, A₃₂ – вероятность безизлучательного перехода с уровня накачки 3 на верхний уровень лазерной генерации 2. Генерация происходит за счет вынужденных переходов W₂₄ с уровня 2 на нижний уровень лазерной генерации 4. Переход на основной уровень 1 осуществляется за счет безизлучательного перехода A₄₁.

За счет того, что нижний уровень генерации проходит над основным, минимальная мощность накачки уменьшается пропорционально .

Кинетическое уравнение, описывающее изменение населённостей ионов на уровнях имеет вид:

.

Расчет кинетических процессов в связан с громоздкими вычислениями. Поэтому ограничимся рассмотрением стационарного состояния.

В стационарном состоянии , имеем:

Чтобы возникла генерация необходимо .

Отсюда:

Используя условие , т.е. время жизни на уровне

должно быть значительно больше времени жизни на уровне , получим для мощности накачки:

1.5. Полупроводниковые инжекционные лазеры

В первых типах инжекционных лазеров, активной средой являлась пограничная область p-n перехода, изготовленного из полупроводника, обладающего высокой вероятностью излучательной рекомбинации. Инверсная населенность энергетических уровней в этих лазерах достигается путем инжекции носителей заряда через p-n переход. Для излучения, генерируемого прямозонным полупроводником, должно выполняться условие hE₃. Поэтому необходимо, чтобы инжектируемые (возбуждаемые) электроны получали достаточные порции энергии, т.е. чтобы имело место неравенство.

,

где U_p-n – прямое напряжение на p-n переходе.

Это условие может быть выполнено только в вырожденных полупроводниках. При этом плотность прямого тока через переход, должна быть высокой (10⁵А/см²⁾, что определяет большие прямые токи (единицы–десятки ампер). Это в свою очередь ведет к проблеме отвода тепла. Поэтому первые типы полупроводниковых инжекционных лазеров на GaAs могли работать только в импульсном режиме с очень малой скважностью.

Рис. 1.9

Роль оптического резонатора в инжекционном лазере выполняют грани кристалла, с нанесенными серебряными покрытиями, плоскости которых перпендикулярны плоскостям p-n перехода (рис. 1.9). Причем идеально ровные и одновременно параллельные грани получают путем скола вдоль определенных кристаллографических направлений полупроводника. Боковые грани кристалла скашиваются под некоторым углом, чтобы предотвратить возникновение генерации в этом направлении.

Многие недостатки простых лазерных структур (высокая пороговая плотность тока, низкий КПД, малая долговечность) были устранены с разработкой гетеролазеров при использовании гетероструктур с односторонним ограничением (ОГС) и двухсторонним ограничением (ДГС). Например, в лазерной структуре ДГС (рис.1.10) активный слой p-GaAs ограничен двумя широкозонными областями. В такой структуре нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как высокая к

Рис. 1.7

онцентрация носителей в активной области достигается благодаря суперинжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безизлучательную рекомбинацию и повышению квантовой эффективности_вн. Гетеропереход препятствует проникновению избыточных носителей в широкозонные области, и они практически все сосредотачиваются в активной средней области.

В таких структурах присутствует и волноводный эффект, так как излучение будет концентрироваться в области с более высоким коэффициентом преломления, а именно в активном слое. Это явление называется эффектом удержания света.

Поскольку, при использовании ДГС, носители удерживаются в активном слое и эффективно взаимодействуют, то можно обеспечить малую плотность тока (J10³А/см²) и малое значение прямого тока. Снижению рабочих токов способствует и применение полосковых конструкций лазеров.

Такие структуры позволяют создавать инжекционные лазеры, способные работать не только в импульсном, но и в непрерывном режимах.

Полупроводниковые инжекционные лазеры широко используются в различных системах связи, системах ночного видения и целеуказания, устройствах охранной сигнализации, проигрывателях компакт-дисков и др.