Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного монолазера

В полупроводниковых лазерах активным элементом являются кристаллы полупроводника, образующие резонатор и возбуждаемые либо инжекцией тока через р-n-переход, либо пуч­ком электронов. Соответственно различают инжекционные лазеры и лазеры с электронным возбуждением.

В полупроводниковых монолазерах индуцированные переходы происходят между заня­тыми электронными состояниями в зоне проводимости и вакантными состояниями в ва­лентной зоне в области р-n-перехода. Одно из главных отличий полупроводникового ла­зера от атомных молекулярных состоит в том, что эти переходы происходят не между дву­мя узкими энергетическими уровнями, а между состояниями. распределенными по энергии.

Первые инжекционные лазеры были созданы из арсенида галлия в форме параллелепи­педа с планарным диффузионным р-n-переходом, расположенным перпендикулярно двум противоположным торцам полупроводникового кристалла (рис. 4.10).

Поскольку показатель преломления полупроводникового кристалла больше, чем у воз­духа, его сколотые торцевые поверхности действуют как зеркала, так что генерация излуче­ния и его усиление происходят внутри резонатора Фабри-Перо. При определенном порого­вом уровне усиление превышает потери в объеме и на зеркалах для некоторой моды, и лазер начинает генерировать.

При включении инжекционного лазера в прямом направлении и малом токе накачки, как и в СИД возникает спонтанное излучение. Из множества спонтанных фотонов лишь не­которые из них отразятся от зеркала и пройдут в плоскости активного слоя. При увеличении тока накачки растет число электронов на верхнем энергетическом уровне в зоне проводимо­сти (говорят, что имеет место «инверсная населенность уровня»). При этом спонтанный фотон вызывает переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где происхо­дит рекомбинация и появляется стимулированный фотон (СТФ).

Энергия СТФ, направление его движения, фаза в точности совпадают с соответствую­щими параметрами спонтанного фотона (СПФ). Таким образом, вместо одного фотона поя­вились два. Если ток накачки достиг некоторого значения, называемого пороговым, этот процесс нарастает лавинообразно: два фотона порождают четыре, четыре- шестнадцать, и т.д. В результате мощность излучения резко возрастает (ватт-амперная характеристика инжекционного лазера приведена на рис. 4.11).

Часть мощности излучения выводится наружу через оба зеркала (один из выходов ин­жекционного лазера может быть использован для контроля излучаемой мощности с помо­щью фотодиода). Заметим, что величина порогового тока зависит от температуры окружаю­щей среды. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны резко падает (см. рис. 4.11).

Полупроводниковые лазеры работают в широком спектральном диапазоне - от 0,33 до 31 мкм. Лучшие параметры дости­гаются при охлаждении. Инжекционные ла­зеры работают в импульсном и непреры­вном режимах, а лазеры с электронным воз­буждением - в импульсном.

Мощность излучения полупроводнико­вого лазера зависит от величины тока, про­текающего через р-n-переход. Пороговая плотность тока накачки для серийно выпус­каемых лазеров на GaAs составляет (10³…10⁴)A/см². При этом кпд составляет около 1%. Кпд полупроводниковых ох­лаждаемых лазеров в импульсном режиме доходит до 50... 80%, однако необходимость ох­лаждать кристалл до 77 К и даже 4 К заметно усложняет конструкцию лазера и сокращает срок его службы до единиц, а иногда десятков часов.

В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением за счет использования большей, чем в инжекционных лазерах, части активного вещества, можно достичь больших импульсных мощностей с небольших объемов. Такие лазеры работают в основном с охлаж­дением, хотя есть излучатели, работающие и при комнатной температуре. Конструктивно они представляют собой электровакуумный прибор, внутри которого устанавливается ак­тивный элемент - мишень на хладопроводе, а управление электронным пучком, бомбарди­рующим мишень, производится с помощью электромагнитной и электростатической сис­тем. Такие лазеры, выполненные на основе CdS с рабочей длинной волны λ = 0,49 мкм, дают импульсы мощностью 200 кВт, длительностью 3 нс при комнатной температуре и имеют кпд около 1 %.

В переносных оптических системах находят применение малогабаритныe полупровод­никовые лазеры. Некоторые инжекционные лазеры имеют длину около 1 мм при толщине перехода 3... 5 мкм, выходная мощность в импульсном режиме достигает (10... 20) Вт, а кпд - 50%. Они позволяют осуществлять модуляцию излучения в широком диапазоне из­менением тока накачки. К недостаткам таких лазеров следует отнести большой угол рас­ходимости пучка, импульсный режим работы и широкую спектральную полосу генерируе­мого излучения.

Поиск по сайту: