Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Полупроводниковые лазеры 1
В газовых лазерах источниками излучения фотонов являются отдельные атомы. Их концентрация подбирается такой, чтобы большую часть времени они двигались свободно, не взаимодействуя непосредственно с другими атомами. В процессах столкновения друг с другом атомы активного газа либо получают энергию от других атомов и возбуждаются, либо, если они в этот момент были возбуждены, теряют ее. Происходит безызлучательный переход, при котором энергия возбуждения переходит в энергию теплового движения, релаксация энергии. Чтобы в газе всегда присутствовали возбужденные атомы, процессы возбуждения при столкновениях должны существенно преобладать над процессами релаксации. Только в этом случае газовая среда будет активной и ее можно будет использовать для усиления и генерации света. Частота испускаемых отдельными атомами фотонов в этом случае близка к частоте фотонов, испускаемых изолированными атомами. Разброс частот около этой средней частоты, или ширина спектральной линии, обусловлен эффектом Допплера, возникающим при движении атомов,
1 Этот раздел написан редактором перевода
120 и отчасти столкновениями атомов между собой, приводящими иногда к «прерыванию» процесса излучения.
В рубиновых или стеклянных лазерах в качестве активных ионов применяют ионы атомов редких земель. Энергетические уровни, между которыми происходят оптические переходы в этих атомах, лежат внутри электронной оболочки атома и хорошо экранированы ею от действия электрических полей в кристалле. Поэтому и здесь, как в случае газовых лазеров, частота испускаемых активными ионами фотонов оказывается близкой к частоте оптических переходов изолированных ионов редкоземельных элементов. Поэтому как газовый лазер, так и лазер на твердом теле может генерировать свет только определенной частоты, а перестроить его частоту можно путем различных внешних воздействий, примерно только в пределах ширины спектральной линии осуществляющихся в нем переходов. Поэтому после появления первых лазеров начались энергичные и весьма успешные поиски веществ, пригодных для создания лазеров, работающих в различных диапазонах. Естественно, что многим физикам сразу пришла в голову мысль использовать в качестве рабочего вещества полупроводники. Применение полупроводников сулило большие возможности, но было связано с значительными физическими и техническими трудностями. Исследования в этой области начались почти одновременно в Советском Союзе и США. И вскоре, уже в конце 1962 года, удалось осуществить генерацию на рд-переходе в хорошо изученном к тому времени веществе— арсениде галлия, а затем и на других соединениях.
Полупроводниковые, или, как их иначе называют, ин-жекционные, лазеры существенным образом отличаются от рассмотренных выше газовых лазеров и лазеров на твердом теле. Переходы, связанные с излучением фотонов в полупроводниковых лазерах, происходят не между уровнями отдельных атомов, а между энергетическими зонами.
Если пропускать ток, приложив достаточно высокое напряжение, в прямом направлении через рд-переход (этот ток называют током инжекции), то часть электронов из нижней валентной зоны переходит в верхнюю, свободную зону проводимости. В валентной зоне образуются свободные состояния — дырки, .а в нижней части зоны
121 проводимости — заполненные состояния, как изображено на фиг. 31: в вертикальном направлении отложена энергия в условных единицах, а горизонтальное направление находится в плоскости рд-перехода. Перераспределение электронов, или инжекция электронов и дырок, происходит в тонком слое рд-перехода в одну и ту же область полупроводника.
Такое инверсное состояние не является равновесным и приводит к испусканию фотонов. Возникающие при
этом в слое рд-перехода свечение называется электролюминесцентным, или просто люминесцентным. Инверсное состояние в полупроводниках существенно отличается от инверсного состояния изолированных атомов, где не существует понятия «частично заполненного» уровня. Фотон, испущенный при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости П в свободную часть валентной зоны В, может вызвать индуцированное испускание идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно, в нем нет электронов, а верхнее уже заполнено. Это означает, что рд-переход прозрачен для фотонов такой энергии. Напротив, фотоны с энергией большей, чем расстояние между нижним краем свободной части валентной зоны А и верхним краем заполненной части зоны проводимости В могут поглощаться, переводя электроны из валентной'зоны в зону проводимости.
122 Однако в этом случае индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а все места в нижнем состоянии заняты. Таким образом, вынужденное излучение возможно только в узкой области энергий вблизи нижнего края зоны проводимости и верхнего края валентной зоны. Ширину этого интервала можно регулировать, изменяя ток инжек-ции. Расстояние между краями зоны зависит от температуры, давления и ряда других причин. Последнее обстоятельство не всегда удобно, так как приводит к непостоянству частоты генерации полупроводникового лазера. С другой стороны, оно открывает возможности для перестройки этой частоты. Частота излучения люминесценции определяется шириной запрещенной области Е1Е2, а его спектральная ширина зависит от величины заполненной зоны ExI. По сравнению с газовыми лазерами ширина спектра люминесценции очень велика.
