Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
После беззеркальных лазеров на твердых растворах красителей были созданы аналогичные полупроводниковые ОКТ с оптическим возбуждением [679—681] и инжекционные гетеролазеры [682, 683]. На рис. 121, а показана конструкция GaAs лазера с оптической накачкой. Возбуждающий свет падает перпендикулярно гофрированной поверхности, а генерируемое излучение распространяется в плоскости решетки. Наиболее ценными для различных оптоэлектронных устройств представляются инжекционные гетеролазеры, у которых лазерный луч выводится через контактную поверхность диода (рис. 121,6). Дифракционный угол расходимости таких лучей
Рис. 121. Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью: а — GaAs лазер с оптической накачкой [681]; б—инжекционный лазер на двойной гетероструктуре: 1 — оптические контакты; 2 —р-GaAs; 3—
p-AlxGai-xAs; 4, 6—п-GaAs; 5 — л-AbGai-xAs [683]
а
д
370
будет сравнительно небольшим, и их легко ввести в волоконные волноводы. Кроме того, открываются новые возможности создания больших матриц инжекционных лазеров, необходимых для практического применения.
§ 23. РАДИАЦИОННЫЙ ШУМ В ЛАЗЕРАХ
Люминесценция — неустранимый источник радиационного шума в лазерах. В активной среде лазера кроме генерируемых мод всегда присутствует излучение других типов, которое создает помехи для процесса генерации и называется радиационным шумом. К радиационному шуму относятся тепловое излучение, люминесценция, замкнутые типы колебаний, не имеющие выхода из резонатора, излучение, возникающее в результате рассеяния лазерного луча на оптических неоднородностях активной среды, и внешнее излучение, проникающее в активную среду. В лазерах с оптической накачкой мощным источником шума служит возбуждающий свет. В инжекционных лазерах этот тип шумов отсутствует.
В видимой, ближней инфракрасной и тем более в ультрафиолетовой областях спектра при комнатной и более низких температурах фой теплового излучения незначителен и им можно пренебречь (§ 7). Путем соответствующей обработки боковых поверхностей замкнутые моды можно устранить, а в оптически совершенных кристаллах рассеяние генерируемого потока свести к минимуму. Принципиально неустранимым источником радиационного шума служит люминесценция. Она возникает в результате спонтанных оптических переходов, при которых возбужденное вещество возвращается в состояние термодинамического равновесия. Спонтанные переходы обусловлены взаимодействием вещества с нулевыми электромагнитными полями и принципиально не устранимы [43, 87]. Если между какими-либо двумя квантовомеханическими состояниями вещества происходят вынужденные оптические переходы, то неизбежно будут происходить и спонтанные переходы. Спонтанные переходы могут осуществляться и без вынужденных, если отсутствует электромагнитное поле, а стимулированное испускание без спонтанного в принципе невозможно.
При заданной плотности энергии возбуждающего света ы(ю) отношение вероятностей спонтанного перехода к вынужденному прямо пропорционально ю3 (см. (7.3), (14.3),
(14.19), (14.20)). С переходом от коротких радиоволн с
X = 50 м к видимому свету (А,=0,5 мкм) это отношение увеличивается в 1024 раз. В радиофизике спонтанные переходы обычно не учитываются, а в оптике, наоборот, до появления
24*
371
лазеров вынужденные переходы считались пренебрежимо малыми (§ 13).
Поскольку создание инверсной населенности, необходимой для получения генерации, связано с сильным возбуждением вещества, то активные среды лазеров, как правило, интенсивно люминесцируют. При этом спектр усиления частично перекрывается со спектром люминесценции (см. рис. 118), а интенсивность люминесценции, распространяющейся в усиливающей среде, возрастает экспоненциально.
Как уже было показано (§ 13, 14), уровень инверсной населенности вещества определяется соотношением между скоростью возбуждения и суммой скоростей всех процессов, возвращающих вещество к состоянию термодинамического равновесия. Очевидно, при любой заданной скорости возбуждения с увеличением объема активной среды неизбежно должен наступить момент, когда скорости оптических переходов, индуцированные усиленной люминесценцией, превысят скорость накачки и уровень инверсной населенности начнет падать. Следовательно, если не принять меры к подавлению усиленной люминесценции, то она может стать непреодолимым препятствием на пути создания активной среды значительных размеров.
Ограничения, накладываемые радиационными шумами на линейные размеры активных сред, можно сформулировать так: произведение разности (кус—р) на наибольший линейный размер среды L не может быть больше некоторого числа т. е.
(Кус — р)L = G < Glip. (23.1)
Подобно тому как изменение фазы волны определяется не пройденным ею расстоянием, а длиной оптического пути nL, так и плотность энергии усиленной люминесценции связана с произведением (кус—p)L.
Конкретные значения числа Gnp зависят от ширины и степени перекрытия спектров усиления и люминесценции, от геометрической формы активной среды, от граничных условий и от верхнего предела реально допустимых скоростей возбуждения. Величина накачки ограничена сверху, в частности, порогом разрушения вещества под действием света в лазерах с оптическим возбуждением и током пробоя в инжек-ционных лазерах.
