1.6. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой

В этих лазерах на полупроводник воздействует поток электронов высокой энергии (2..20 кэВ). Эти электроны проникают вглубь полупроводника на десятки микрометров, ионизируя на своем пути атомы кристаллической решетки. Образующиеся свободные электроны переходят на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. Эти возбужденные электроны в свою очередь передают энергию другим атомам решетки. В результате возникает лавина, ослабевающая при удалении от поверхности и создается инверсная заселенность энергетических уровней. При этом энергия электронов в основном тратится на разогрев кристалла, и поэтому теоретический предельный КПД энергетического преобразования “электронный луч–излучение” не превышает 30…40%.

К

Рис. 1.11

онструктивно такой лазер выполняется в виде электронно-лучевой трубки сU_раб 10кВ, в которую помещается полупроводниковая пластина (рис. 1.11). Поток электронов падает на плоскую грань полупроводника. В тонком поверхностном слое электронный поток создает большое число электронно-дырочных пар (примерно 10 пар на один электрон). Эти пары рекомбинируют и когерентное излучение выходит из пластины в плоскости перпендикулярной направлению потока электронов. Грани полупроводниковой пластины являются зеркалами открытого резонатора. Толщина активного слоя может достигать десятых долей миллиметра в зависимости от энергии потока электронов.

По сравнению с инжекционными лазерами эти лазеры имеют ряд преимуществ.

1. Более высокая мощность излучения (Р_имп до 1 МВт). Это связано с тем, что объём возбужденной активной области в 100..1000 раз больше, чем у лазеров с ДГС.

2. Возможность лазерной генерации практически на любых прямозонных полупроводниках, в том числе на таких, на которых не удается получить p-n переходов.

3. Возможность управления длиной волны излучения базирующаяся на использовании в качестве мишени, варизонных (с плавным изменением E₃) полупроводников.

4. Низкая угловая расходимость (единицы градусов).

К недостаткам этих приборов следует отнести: наличие объема с высоким вакуумом; низкий реальный КПД (1%) из-за двойного преобразования энергии; сложность и громоздкость системы питания.

Лазеры с электронной накачкой применяют для широкоформатного цветного телевидения с площадью экрана до 10м², в быстродействующих голографических устройств, а также для построения генераторов оптического когерентного излучения с t_и10^-12с.

1.7. Газовые лазеры

В этих лазерах в качестве активной среды используются чистые газы, их смеси, а также пары некоторых веществ. Газовый лазер представляет собой наполненную рабочим газом стеклянную или кварцевую трубку, на торцах которой нанесены зеркальные покрытия, образующие резонатор. Вдоль трубки впаяны электроды, между которыми при приложении напряжения, равного 10³…10⁴В зажигается тлеющий или дуговой разряд (U_раб=10…100В). Возникающие при разряде свободные электроны, сталкиваясь с частицами рабочего газа, возбуждают их, создавая в них инверсную населенность энергетических уровней.

Как известно, из-за малой плотности атомов в газах взаимодействие между ними мало и они имеют линейный энергетический спектр. Поэтому лазерное излучение в газах возникает в результате взаимодействия только двух энергетических уровней. При этом газовые лазеры обладают наивысшей монохроматичностью и когерентностью (/_max=10^-6…10^-9).

Большая оптическая однородность газа позволяет изготавливать лазеры больших размеров (L=0,3…2м; d=3…30см). Это определяет очень малую расходимость лазерного излучения (_изл<10^/), а также большие значения мощности излучения.

Так как основная доля энергии газового разряда затрачивается на ионизацию атомов рабочего газа и лишь малая часть идет на создание инверсной заселенности уровней, то их КПД не велик (1…10%).

В настоящее время наибольшее распространение получили: гелий-неновые лазеры (активные частицы –нейтральные атомы), аргоновые лазеры (активные частицы – ионы газа) и лазеры на углекислом газе (активные частицы – молекулы газа).

В энергетическом спектре гелий-неонового лазера имеется несколько уровней, между которыми возможна излучательная рекомбинация. Чаще всего выбирают такую длину резонатора, чтобы этот лазер генерировал когерентное излучение с =0,63мкм. Мощность излучения в непрерывном режиме у этих лазеров составляет P_изл=10^-4…10^-1Вт при 0,5%. Высокая когерентность излучения, относительно небольшие размеры (несколько десятков см), малая угловая расходимость, а также стабильность параметров излучения позволяют использовать эти лазеры в научных исследованиях и измерительной технике.

Аргоновые лазеры в настоящее время являются наиболее мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Наибольшая мощность излучения приходится на _изл=0,488 мкм и _изл=0,515мкм. Мощность излучения в непрерывном режиме у этих лазеров P_вых=10^-3…10²Вт. Однако при этом лазер требует эффективного водяного охлаждения и его конструкция достаточно громоздка. Основные области применения: фотохимия, медицина, лазерные технологии.

Лазеры на углекислом газе СО₂ генерируют излучение в дальней инфракрасной области. Наибольшая мощность излучения наблюдается при длинах волн =10,6 мкм, =5,06 мкм. Следует отметить, что =10,6 мкм, соответствует окну прозрачности атмосферы, что позволяет использовать этот лазер в оптической локации. Эти лазеры отличаются высоким коэффициентом полезного действия (10…30%) и способны обеспечить мощность излучения в непрерывном режиме P=10^-1…10⁴Вт, а в импульсном - до мегаватт. Области применения: лазерные технологические установки, нелинейная оптика.