Полупроводниковые лазеры (ППЛ)

Лазер – это оптический квантовый генератор. Термин «лазер» LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)является аббревиатурой английской фразы: «Усиление света стимулированным излучением».

Работа лазеров основана на открытом Эйнштейном виде излучения, называемом вынужденным, индуцированным или стимулированным.Этот вид излучения заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, то есть переход электрона на основную менее удаленную от ядра орбиту. А избыток энергии излучается в виде нового фотона (близнеца) с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона, вызвавшего этот процесс.

При прохождении света через вещество одновременно может происходить три процесса:

1) Процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное.

2) Процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние;

3) Вынужденное излучение фотонов возбужденными атомами;

Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном ещё в 1916 г.

Для того, чтобы мощность светового излучения увеличивалась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбуждённом состоянии. То есть число электронов в зоне проводимости N₂ должно быть больше, чем число электронов в валентной зоне N₁. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с нормальной населённостью энергетических уровней. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8

В веществе с инверсной населённостью уровней на пути фотонов чаше встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии, поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение.

В результате при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней поток света усиливается, а не ослабляется.

Экспериментальное явление усиления света при его прохождении через среду с инверсной населённостью уровней было открыто в 1951 году советскими учёными В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой. Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. Для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.

Принцип действия полупроводникового лазера

Простейшим лазером является лазер с резонатором Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9. ППЛ имеет такой же излучающий PN переход, как и СИД, но структура его отличается тем, что кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор (так называемый резонатор Фабри-Перо).