Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК-диапазонах (0,32-32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.

Полупроводниковые лазеры теоретически были предсказаны в 1959 г., а в 1962 г, впервые реализован инжекционный лазер на основе GaAs. В настоящее время известно свыше 40 пригодных для лазеров различных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может осуществляться электронными пучками или оптическим излучением, в р-n-переходе полупроводникового материала электрическим током от приложенного внешнего напряжения.

Полупроводниковые лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками: высоким КПД по мощности; простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение ? как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы); возможностью прямой модуляции электрическим током до Ггц-диапазона; крайне незначительными размерами; низким напряжением накачки; механической надежностью; большим сроком службы.

Изменяя состав активной среды, можно варьировать за счет изменения ширины запрещенной зоны длину волны излучения в относительно широком интервале.

Меньшую перестройку длины волны можно осуществлять за счет: изменения температуры; гидростатического давления; применения решетки в качестве дисперсионного элемента во внешнем резонаторе; применения неаксиального сжатия в магнитном поле.

Изготовление полупроводниковых лазеров требует высокоразвитой технологии.

Основными областями применения полупроводниковых инжекционных лазеров являются: передача информации по световодному кабелю (волоконно-оптические линии связи, управление и контроль процессов, обработка данных, вычислительная техника); приборостроение (системы записи и воспроизведения звука, видеодиски, лазерное печатающее устройство, измерение расстояний, инфравизоры (приборы ночного видения), голография, инфракрасные прожекторы и т.д.).

Вследствие малых размеров этот тип лазеров является идеальным активным элементом в интегральных оптических схемах (?интегральной оптике?).

В последние годы все шире используются мощные полупроводниковые лазеры в обработке материалов (лазерная маркировка, лазерная резка металла, лазерная закалка и др).

Полупроводниковые лазеры в лазерной резке применяются, когда не нужны высокая направленность и когерентность, зато важен высокий КПД и малые размеры.

Полупроводниковые лазеры имеют очень высокий КПД по преобразованию электрической энергии в когерентное излучение. К преимуществам такого оборудования для лазерной резки относятся способность работать в непрерывном режиме, простота конструкции, низкая инерционность, возможность изменять длину волны. Недостатками полупроводникового оборудования для лазерной резки являются низкая направленность излучения (из-за малых размеров) и недостаточная монохромность (из-за весьма широкого спектра спонтанного излучения).

Вынужденное излучение полупроводниковых лазеров – это рекомбинационное излучение в р-n-переходе полупроводникового диода.

Для создания гетероструктур в полупроводниковых лазерах необходимы не только подходящие активные полупроводниковые материалы, но и материалы с идентичными кристаллографическими параметрами, однако требуются при этом более широкозонные полупроводниковые материалы для пассивных слоев. В эти непроводящие полупроводниковые материалы вводятся элементы, которые или отдают электроны (доноры), или связывают их (акцепторы). Благодаря такому легированию возникает электронный полупроводник (n-типа, в зоне проводимости находятся электроны, отдаваемые донорами) или дырочный полупроводник (р-типа). В валентной зоне не достает связанных с акцепторами электронов. Эти дырки проводимости ведут себя как ?положительно заряженные электроны?, т.е. при приложении напряжения они движутся от плюса к минусу (дырочная электропроводность).

Соединение полупроводника n- и р-типов образует р-n (полупроводниковый)-диод – основной элемент полупроводникового (инжекционного) лазера. Схема энергетических уровней (структура зон) характеризуется потенциальным барьером, который вызывается различным распределением зарядов в полупроводнике n- и р-типов.

В непосредственной близости от области перехода избыточные электроны могут рекомбинировать с дырками с испусканием излучения (спонтанное рекомбинационное излучение). Частота испускаемого излучения определяется шириной запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны в различных полупроводниковых материалах изменяется в относительно широких границах, благодаря чему становится возможной генерация излучения в широкой спектральной области.

Рекомбинационные процессы в р-n-переходе требуют создания электронно-дырочных пар. Создание электронно-дырочных пар наряду с возбуждением, определяемым тепловым равновесием, происходит путем:
1) инжекции носителей заряда, при этом под действием приложенного внешнего напряжения электроны и дырки движутся к р-n-переходу, так что там повышается плотность носителей заряда;
2) возбуждения электронным пучком; благодаря взаимодействию быстрых электронов, кинетическая энергия которых меньше, чем пороговая энергия образования дефектов в полупроводниковом материале, но больше, чем пороговая энергия ионизации атомов кристалла, образуются свободные носители заряда;
3) столкновительной или туннельной ионизации кристалла посредством приложения высокого электрического поля;
4) оптической накачки с помощью импульсных ламп или лазеров.

Наиболее простым способом изготовления диодов с р-n-переходом является диффузия быстро диффундирующих акцепторов в подложку с проводимостью n-типа или эпитаксиальное осаждение материала с проводимостью р-типа на материал с проводимостью n-типа (гомолазер). Электрический вывод припаивается к металлизированным поверхностям n- и р-типов.

Вынужденное излучение происходит параллельно к n-p-переходу (рис. 1).

Рис. 1 – Схематическое изображение конструкции инжекционного лазера (n – область n-типа; р – область р-типа: рn – р-n-переход; L – выходное лазерное излучение)

В качестве зеркал резонатора, как правило, служат чистые поверхности скола. В гомолазере ширина области рекомбинации определяется диффузионной длиной носителей заряда (электронов, дырок). Диффузионная длина растет с повышением температуры.