Джерела оптичного випромінювання. Лазери

Напівпровідникові оптичні випромінювачі можна розділити на дві групи:

· Випромінювачі, основані на принципі спонтанної інжекційної електролюмінесценції;

· Оптичні генератори когерентного випромінювання (лазери).

Властивість напівпровідників створювати електромагнітне нетеплове випромінювання, тривалість якого значно перевищує період світлових коливань, називається люмінесценцією. На відміну від світіння розжарених тіл для люмінесценції не потрібне нагрівання. Крім того, люмінесценція продовжується ще деякий час після вимкнення збуджувальної енергії. Якщо цей час більший ніж , явище називають фосфоресценцією, а якщо менший – флюоресценцією. Люмінесценція має два основні етапи. На першому етапів них під дією збуджувальної енергії відбувається генерація носіїв заряду, на другому – генеровані носії заряду рекомбінують. Енергія, яка виділяється, перетворює або в оптичне випромінювання, або в теплоту.

Залежно від видів збуджувальної енергії, що зумовлює збудження атомів, розрізняють: електромінесценцію ( електричним полем ); катоволюмінесценцію (бомбардування напівпровідника електронами; фотолюмінесценцію ( освітлюванням) тощо.

Інжекційна люмінесценція – це генерація оптичного випромінювання в р-n переході. Вона об'єднує два процеси: інжекцію носіїв і власну електролюмінесценцію. За допомогою інжекції забезпечується створення нерівноважних носіїв заряду, для чого р-n перехід зміщується джерелом напруги у прямому напрямі. У такому режими електрони з n- області напівпровідника інжектують у р – область, де вони є не основними носіями заряду, а дірки – в зустрічному напрямі. Далі відбувається рекомбінація зайвих неосновних носіїв заряду з електричними зарядами протилежного знаку. Випромінювальною є область лише з одного боку р-n переходу, для чого n-область легують сильніше, ніж акцепторну р-область. Таким чином, у несиметричній структурі інжекція є односторонньою – з n-емітера в р-базу – і випромінює базова область. Принцип інжекційної люмінесценції використовується у світлодіодах. На рис. 2. а. приведено будову та схему вмикання лазерного світлодіода.

Рис.2. а – будова та схема вмикання лазерного світлодіода;

б – схема енергетичних переходів в лазерному світлодіоді

В лазерному світлодіоді за рахунок відкритого p-n переходу (під дією Е) частина електронів із нижніх енергетичних рівнів переходить на більш високі рівні, а потім знаходиться на деякому рівні збудження (метастабільному рівні) (рис.2б) Повернення цих електронів із рівня на рівень характерезується електромагнітним випромінюванням, довжина хвилі якого визначається за виразом:

, (2)

де - довжина хвилі,мкм; - рівні енергії, еВ.

Оптичне випромінювання люмінесцентного напівпровідника являє собою накладання (суперпозицію) електромагнітних хвиль, що випромінюються великою кількістю збуджених атомів.

Так як в групі атомів внаслідок їх взаємного впливу енергетичні рівні постійно змінюються, то частоти електромагнітних хвиль їх випромінювання будуть різними. Випадковість і незалежність процесів випромінювання в цьому випадку включає визначеної фазової залежності між випромінюваннями атомів, в різних моменти часу. Таким чином, оптичне випромінювання світлодіодного лазера є некогерентним.

Напівпровідникові лазери. Напівпровідниковий лазер – це випромінювальний напівпровідниковий прилад (генератор випромінювання), який перетворює електричну енергію або енергію некогерентного випромінювання назвали лазерами (laser – light wave amplification by stimulated emission of radiation, підсилення світлових хвиль за допомогою стимульованого випромінювання).

Процес виникнення вимушеного випромінювання дуже спрощено полягає в наступному. Представимо собі, що актом вже збуджений і знаходиться на рівні енергії більший за (рис.3 а). Якщо на такий атом подає квант зовнішньої електромагнітної хвилі , то атом переходить в не збуджений стан , і при цьому виникає вимушене випромінювання.

Рис. 3. Виникнення вимушеного випромінювання:

а – для одного атома; б – для групи атомів

Обі хвилі, зовнішня та індукована,поширюється в одному напрямі. Нагадаємо, що при накладанні в прості двох когерентних хвиль у різних його точках створюється підсилення між фазами цих хвиль (інтерференція хвиль). Таким чином отримуємо подвійне підсилення енергії випромінювання за рахунок збудженого атома. Подібне явище можна спостерігати і в групі атомів, наприклад в кристалі (рис. 3б )

Під час вимушеної рекомбінації формується когерентне випромінювання, що є принциповою відмінністю напівпровідникових лазерів від світлодіодів. Створивши умови для вимушеної рекомбінації, можна керувати випромінюванням збуджених атомів напівпровідника за допомогою електромагнітних хвиль і таким чином підсилювати та генерувати когерентневипромінювання.

Для роботи лазера необхідне переважання вимушеної випромінювальної рекомбінації над поглинанням квантів світла. Переважання випромінювання над поглинанням залежить від співвідношення в кристалі напівпровідника збуджених і не збуджених атомів, тобто від населеності енергетичних рівнів були більш заповнені електронами, ніж нижні. Такий стан напівпровідника називають станом з інверсною населеністю.

Для створення інверсної населеності необхідна додаткова енергія – енергія накачування, яка надходить від зовнішнього джерела. Існують різні способи накачування лазерів (оптичне накачування, електричне накачування, електронне та ін. )

Поширеними є спосіб створення інверсної населеності інжекційним накачуванням : за допомогою інжекції носіїв заряду під час прямого вимикання p-n- переходу (інжекційні лазери).

Для створення когерентного випромінювання необхідно створити в напівпровіднику стан інверсної населеності. Середовище, в якому підтримується такий стан, називають активним середовищем або лазерним активним середовищем. Інжекційних лазерах для створення такого середовища p-n- перехід вмикають в прямому напрямі. Необхідно також створити умови для внутрішнього підсилення випромінювання, коли створення фотонів за рахунок вимушеного випромінювання переважає втрати випромінювання на поглинання то розсіювання. Таке підсилення оптичного випромінювання, яке ґрунтується на використанні вимушеної рекомбінації, називають лазерним підсиленням.

Для реалізації лазерного підсилювача треба забезпечити проходження кожного кванта світла в площині p-n- переходу декілька разів. Для цього в лазерах формують оптичні резонатори. Найпростіший резонатор складається з двох дзеркал, які забезпечують багаторазове проходження з двох дзеркал, які забезпечують багаторазове проходження хвилі випромінювання через активне середовище. Для виведення випромінювання дзеркало роблять прозорим. За допомогою такої системи створюється позитивний зворотний зв'язок з такими параметрами, щоби енергія випромінювання , яка передається з виходу лазерного підсилювача на його вхід, була б достатньою для компенсації втрат та виникнення лавиноподібного процесу лазерного випромінювання. Так лазерний підсилювач перетворюється в лазер-генератор.

Широкого розповсюдження набули інжекційні лазери з арсенід галію. Типовий лазер виготовляють у формі паралелепіпеда. На рис. 4 приведена конструкція типового напівпровідникового інжекційного лазера.

Рис.4.Конструкція напівпровідникового інжекційного лазера

Розділ 2

Поиск по сайту: