ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР
оптич. усиление, чем в П. л. на р
- "-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный
активным слоем диэлектрич. волновод удерживает излучение, распространяющееся
вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптич. ограничен и е), благодаря
чему оптич. усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе
необходимая плотность тока при Т - 300 К более чем в 10 раз ниже,
чем у П. л. на р-n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный
режим генерации при темп-ре до 350 К.
Рис. 3. Схема энергетических зон в р-n-переходе:
а
- при отсутствии тока; б -при сильном прямом токе; носители
диффундируют в области, прилегающие к переходу, образуя с основными носителями
избыточные электронно-дырочные пары.
Рис. 4. а - лазер на гетеропереходе
(двусторонняя гетероструктура), б - его энергетическая схема.
Рис. 5. Образцы инжекционных лазеров.
П. л. инжекционного типа (рис. 5) работают
Рис. 6. Схематическое изображение полупроводниковых
Рис. 7. Полупроводниковый лазер с электронной
Рис. 8. Схема проекционного лазерного телевизора:
Полупроводниковые лазеры (Э - накачка электронным
Лит.: Басов Н. Г., Крохин О. Н.,
в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном
режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК)
области (X = 850 нм) и ок. 10 мет (Pb
лазеров -слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами
излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно
широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.
П. л. с электронной накачкой. При
бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W103-106
эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое
одним электроном, W/3ДЕ. Этот способ применим к полупроводникам
с любой шириной запрещённой зоны. Выходная мощность П. л. достигает 106вт,
что
объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6).
П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую
систему и полупроводниковый кристалл в форме оптич. резонатора, помещённые
в вакуумную колбу (рис. 7). Технич. достоинство П. л. с электронной накачкой-возможность
быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что
даёт дополнит, способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии
электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен
(1/3); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия ЗДЕ,
а испускается фотон с энергией ДЕ.
Полупроводниковые лазерные материалы.
В П. л. используются гл. обр. бинарные соединения типа А3В5,
А2В6, А4В6 и их смеси - твёрдые
растворы (см. табл.). Все они - прямозонные полупроводники, в к-рых
межзонная излучатель-ная рекомбинация может происходить без участия фононов
или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных
процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё нек-рое количество
перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., напр.
др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина ДЕ зависит от
хим. состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны
от 0,32 до 32 мкм.
Применение П. л.: 1) оптическая
связь (портативный оптич. телефон, многоканальные стационарные линии
связи); 2) оптическая локация и спец. автоматика (дальнеметрия,
высотометрия, ав-томатич. слежение и т. д.); 3) оптоэлектроника (излучатель
в оптроне, логич. схемы, адресные устройства, голографич. системы
памяти, см. Голография), 4) техника спец. освещения (скоростная
фотография, оптич. накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений
и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис.
8).
лазеров с электронной накачкой; а - поперечной, б - продольной.
накачкой в отпаянной вакуумной трубке.
1 - электронная пушка; 2 - фокусирующая и отклоняющая система; 3
- полупроводниковый кристалл - резонатор; 4- объектив; 5 -экран.
пучком; О - оптическая накачка; И - инжекционные лазеры; П - накачка пробоем
в электрическом поле)
Полупроводник
Длина волны излучения,
мкм
Максимальная
рабочая температура, К
Способ накачки
ZnS
0,32
77
Э
ZnO
0,37
77
Э
Zn
0,32-0,49
77
Э
ZnSe
0,46
77
Э
CdS
0,49-0,53
300
Э, О, П
ZnTe
0,53
77
Э
CdS
0,49-0,68
77
Э, О
CdSe
0,68-0,69
77
Э, О
CdTe
0,79
77
Э
GaSe
0,59
77
Э, О
GaAs
0,62-0,9
300
Э, О, И
Al
0,62-0,9
300
О, И
In
0,60-0,91
77
О, И
GaAs
0,83-0,90
450
Э, О, И, П
InP
0,90-0,91
77
О, И, П
In
0,85-3,1
300
О, И
In
0,90-3,1
77
О, И
InAs
3,1-3,2
77
Э, О, И
InSb
5,1-5,3
100
Э, О, И
PbS
3,9-4,3
100
Э, И
PbS
3,9-8,5
77
О, И
PbTe
6,4-6,5
100
Э, О, И
PbSe
8,4-8,5
100
Э, О, И
Pb
6,4-31,8
100
Э, О, И
Историческая справка. Первая работа
о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована
в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение
р
- n-переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым,
О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены
в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им
предшествовало исследование излучательных свойств р - и-перехо-дов,
показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения
(Д. Н. Наследов, С. М. Рывкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные
исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии
в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Ро-гачёв, С. М.
Рывкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным
возбуждением впервые осуществлён в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем,
А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. 3. Гра-сюк и В. А. Катулин
сообщили о создании П. л. с оптич. накачкой. В 1963 Ж. И. Алфёров (СССР)
предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968
Ж. И. Алфёровым, В. М. Андреевым, Д. 3. Гарбузовым, В. И. Корольковым,
Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии
за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.
Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р-"-переходах
вырожденных полупроводников, "Журнал экспериментальной и теоретической
физики", 1961, т. 40, в. 6; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы,
"Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4; Пилкун М., Инжекционные лазеры,
"Успехи физических наук", 1969, т. 98, в. 2; Елисеев П. Г., Инжекционные
лазеры на гетеропереходах, "Квантовая электроника", 1972, № 6 (12); Басов
Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения инжекционных полупроводниковых
лазеров, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 4. Я. Г. Елисеев,
Ю. М. Попов.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я