Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
Г л а*в а IV
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
§ 19. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Возникновение новой науки. Квантовая электроника — наука, изучающая усиление и генерацию электромагнитных волн, устройство, принцип работы и применение квантовых усилителей, генераторов и преобразователей излучения. Ее зарожде- * ние относится к концу 1954— началу 1955 г., когда Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Дж. Гордоном, Г. Зейге-ром и Ч. Таунсом в США был создан первый молекулярный генератор электромагнитных волн СВЧ диапазона (А,= = 1,26 см). Рабочим веществом этого генератора (мазера) служил пучок молекул аммиака NH3, пролетающих через объемный резонатор.
В 1960 г. Т. Нейман создал первый оптический квантовый генератор (лазер) на основе кристаллов рубина — окиси алюминия А1г03 с примесью ионов хрома Сг3+, замещающих в решетке атомы алюминия. Новый источник света генерировал мощные импульсы монохроматического когерентного света (Х=0,694 мкм). В следующем году А. Джаван, У. Беннетт и Д. Гаррисон построили первый газовый гелий-нео-ковый лазер (л = 0,633 мкм), работающий в непрерывном режиме. В конце 1962—начале 1963 г. практически одновременно из нескольких научных центров поступили сообщения (§ 20) о получении генерации инфракрасного излучения при инжекции тока через р — n-переход в арсениде галлия.
В дальнейшем была получена генерация света при оптическом и электронном возбуждении полупроводников. Большое количество сведений по истории возникновения квантовой электроники и ее развития за первое десятилетие содержится в работе [568].
Значительным достижением квантовой электроники явилось создание в 1967 г. белорусскими физиками Б. И. Степановым, А. Н. Рубиновым и В. А. Мостовниковым лазеров на растворах органических красителей с перестраиваемой часто-
300
той' генерации. Одновременно такие же приборы были созданы в США и ФРГ.
Начиная с 1960 г. за короткий срок получена генерация на сотнях новых объектов. Сюда входят кристаллы, стекла, пластмассы, газы, жидкости, полупроводники. Генерируют пары воды и обычный воздух, ионизованные газы и плазма.
Оптические квантовые генераторы (ОКТ) весьма разнообразны по своему устройству, размерам, мощности, спектральным и пространственно-временным характеристикам генерируемого излучения. Труба газового лазера на СОг может быть длиною несколько метров, а размеры лазерного диода составляют обычно доли миллиметра. Импульсная мощность рубинового и неодимового ОКГ на 10—15 порядков больше мощности гелий-неонового лазера. Однако несмотря на все разнообразие, лазеры всех типов имеют много общего. Любой из лазеров условно можно представить состоящим из трех основных частей: активной среды, системы накачки и оптического резонатора. В качестве связующего звена в лазерах применяются различные системы управления. Рассмотрим более подробно основные части лазера.
Активные среды. Работа квантовых генераторов и усилителей света основана на использовании стимулированного (вынужденного) испускания (§ 6). Существование такого испускания постулировано в 1916 г. А. Эйнштейном, который показал, что без стимулированного испускания невозможно установление термодинамического равновесия между излучением и веществом. Стимулированное испускание — вынужденный процесс, в результате которого под действием первичных квантов света появляются новые фотоны, а вещество теряет часть своей энергии.
Замечательное свойство стимулированного испускания, отмеченное П. Дираком в 1927 г., заключается в том, что возникающие в результате испускания вторичные кванты света совершенно неотличимы от первичных фотонов. И падающие и возникшие фотоны имеют в точности одинаковые частоты, фазы, поляризации и направления распространения. Стимулированное испускание выступает как отрицательное поглощение и уменьшает ослабление потока света в веществе (§ 13). Если в некотором веществе стимулированное испускание преобладает над поглощением, то свет, проходя через такое вещество, будет не ослабляться, а усиливаться. Это означает, что в законе Бугера (17.3) величина к отрицательна. Вещество, для которого коэффициент поглощения на одной или нескольких частотах меньше нуля, называется в квантовой электронике активной средой.
В веществе с дискретными уровнями энергии коэффициент поглощения на частоте и>ц= (Ei—Ej)/h равен [87]
301
*(“«) = --------[---- (BJlnJ - Biini) haii =
y„Aco
где Bj{ = Bijgjlgi — коэффициент Эйнштейна для вынужденных переходов; п, g — населенности и статистические веса уровней; vg—групповая скорость света (§13).
Согласно (19.1), коэффициент поглощения отрицателен при условии, что
неравенство (19.2) называется условием инверсной населенности.
В случае прямых межзонных переходов в полупроводниках коэффициент поглощения (14.18) можно представить в виде
Он будет отрицателен, если fi(Ec)>fe(Ev). При термодинамическом равновесии это невозможно, так как EC>EV. Если же полупроводник выведен из состояния термодинамического равновесия, а распределение электронов и дырок в зонах характеризуется двумя квазиуровнями Ферми Fe и Fh соответственно, то из требования к<0 следует условие инверсной населенности в полупроводниках на частоте со =(ЕС—Ev)j'H
