полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер представляет собой миниатюрный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется Pn-переход или Pin-переход, состоящий из полупроводникового материала с прямой запрещенной зоной. Существуют десятки рабочих материалов для полупроводниковых лазеров. Полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются лазеры, включают арсенид галлия, арсенид индия, антимонид индия, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид свинца, теллурид свинца, арсенид алюминия-галлия, фосфор индия, мышьяк и т. д. Существует три основных метода возбуждения полупроводниковых приборов. лазеры, а именно тип электрической инжекции, тип оптической накачки и тип возбуждения высокоэнергетическим электронным пучком. Метод возбуждения большинства полупроводниковых лазеров — электрическая инжекция, т. е. прямое напряжение прикладывается к Pn-переходу для генерации вынужденного излучения в области плоскости перехода, т. е. диод с прямым смещением. Поэтому полупроводниковые лазеры также называют полупроводниковыми лазерными диодами. Для полупроводников, поскольку электроны переходят между энергетическими зонами, а не дискретными энергетическими уровнями, энергия перехода не является определенной величиной, что приводит к широкому диапазону выходной длины волны полупроводниковых лазеров. на диапазоне. Длина волны, которую они излучают, составляет от 0,3 до 34 мкм. Диапазон длин волн определяется шириной запрещенной зоны используемого материала. Наиболее распространенным является лазер с двойным гетеропереходом AlGaAs, который имеет выходную длину волны 750-890 нм.

Технология изготовления полупроводниковых лазеров испытана от метода диффузии до жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), газофазной эпитаксии (ГФЭ), молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), метода MOCVD (осаждение паров органических соединений металлов), химической эпитаксии пучка (ХЛЭ)) и различные их комбинации. Самый большой недостаток полупроводниковых лазеров заключается в том, что на характеристики лазера сильно влияет температура, а угол расхождения луча большой (обычно от нескольких градусов до 20 градусов), поэтому он имеет плохую направленность, монохроматичность и когерентность. Однако с бурным развитием науки и техники исследования полупроводниковых лазеров продвигаются в направлении углубления, и характеристики полупроводниковых лазеров постоянно улучшаются. Полупроводниковая оптоэлектронная технология с полупроводниковым лазером в качестве ядра будет развиваться и играть более важную роль в информационном обществе 21 века.

Как работают полупроводниковые лазеры?

Полупроводниковый лазер является источником когерентного излучения. Чтобы заставить его генерировать лазерный свет, необходимо выполнить три основных условия:

1. Условие усиления: устанавливается инверсионное распределение носителей в среде генерации (активной области). В полупроводнике энергетическая зона, представляющая энергию электрона, состоит из ряда энергетических уровней, близких к непрерывным. Поэтому в полупроводнике для достижения инверсии населенностей число электронов на дне зоны проводимости высокоэнергетического состояния должно быть намного больше, чем число дырок на вершине валентной зоны низкоэнергетического состояния. состояние между двумя областями энергетических зон. Гетеропереход смещен в прямом направлении для введения необходимых носителей в активный слой для возбуждения электронов из валентной зоны с более низкой энергией в зону проводимости с более высокой энергией. Вынужденное излучение возникает, когда большое количество электронов, находящихся в состоянии инверсии населенностей, рекомбинирует с дырками.

2. Чтобы действительно получить когерентное вынужденное излучение, вынужденное излучение должно многократно возвращаться в оптический резонатор для формирования лазерной генерации. Лазерный резонатор образован естественной поверхностью скола полупроводникового кристалла в виде зеркала, обычно в конце, который не излучает свет, покрыт многослойной диэлектрической пленкой с высоким коэффициентом отражения, а светоизлучающая поверхность покрыта антибликовым покрытием. пленка отражения. Для полупроводникового лазера с резонатором F-p (резонатором Фабри-Перо) резонатор F-p можно легко сформировать, используя естественную плоскость спайности кристалла, перпендикулярную плоскости p-n перехода.

3. Для формирования стабильной генерации лазерная среда должна обеспечивать достаточно большой коэффициент усиления, чтобы компенсировать оптические потери, вызванные резонатором, и потери, вызванные выходом лазера с поверхности резонатора и т. д., причем непрерывно. увеличить оптическое поле в резонаторе. Для этого требуется достаточно сильная инжекция тока, то есть достаточно инверсии населенностей, чем выше степень инверсии населенностей, тем больше получаемый коэффициент усиления, то есть должно выполняться определенное пороговое условие по току. Когда лазер достигает порога, свет с определенной длиной волны может резонировать в резонаторе и усиливаться, и, наконец, формировать лазер и непрерывно излучать. Видно, что в полупроводниковых лазерах дипольный переход электронов и дырок является основным процессом излучения и усиления света. Для новых полупроводниковых лазеров в настоящее время признано, что квантовые ямы являются фундаментальными