Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы сделать излучение когерентным, необходимо поступить аналогично тому, как это делается в обычных лазерах,— заставить большую часть света суперлюминесценции отразиться обратно в область рд-пе-рехода и далее проходить ее многократно. Это должно привести не только к значительному усилению интенсивности света, но и существенному сужению спектрального интервала, то есть к монохроматизации света. А чем мо-нохроматичнее свет, тем выше степень его когерентности.
125 В этом случае, если говорить языком радиотехники, усилитель превратится в генератор.
Для этого, однако, вовсе нет необходимости помещать полупроводник между зеркалами резонатора, как делается в обычных лазерах. Высокая концентрация активных частиц (3- IO18Icm-3) приводит к тому, что коэффициент усиления на единицу длины пути в ря-переходе во много сот и даже тысяч раз больше, чем в газовых лазерах, и поэтому, для того чтобы покрыть потери на отражение и излучение, достаточно расстояний в доли миллиметра. Несмотря на то что коэффициент отражения света на границе «кристалл — воздух» не превышает 30—35%, оказывается возможным использовать в качестве «зеркал» боковые поверхности кристалла, тщательно отполировав их параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости рд-перехода. Теперь полупроводниковый лазер готов. Увеличивая ток инжекции, мы добиваемся свечения суперлюминесценции, а далее достигаем порога, при котором усиление станет достаточным, для того чтобы покрыть потери на отражение и излучение, и наступит режим генерации. Узкий слой рд-перехода станет источником монохроматического света.
В этом отношении лазер очень похож на радиоусилитель. В отсутствие входного сигнала на выходе усилителя существует только шумовой сигнал. Этот шум некогерентен и аналогичен спонтанному излучению лазера. Введение положительной обратной связи соответствует увеличению тока инжекции. Коэффициент усиления растет, увеличиваются и шумы, но увеличиваются селективно на собственной частоте контура генератора. В целом спектральная полоса сужается. Это аналогично суперлюминесценции. При дальнейшем увеличении обратной связи возникает генерация, выходной сигнал становится монохроматическим, а его частота совпадает с собственной 'частотой контура.
Толщина слоя рп-перехода, как мы уже говорили, порядка микрона, поэтому выходящий из него лазерный луч очень узок. Он должен был бы иметь веерообразный характер. Однако обычно излучает не вся граница рп-ие-рехода с воздухом, а только несколько «горячих» пятен на ней. Это означает, что генерация происходит только вдоль нескольких «нитей», проходящих через слой. Благодаря малому размеру горячих пятен дифракционная
126 расходимость светового пучка значительно большая, чем в газовом или рубиновом лазере. Она определяется рабочей, или «эффективной», шириной рп-слоя. Угол расходимости лазерного пучка порядка одного градуса.
Инжекционные лазеры очень невелики. Расстояние между полированными гранями кристалла обычно не превышает 0,5 мм (его можно сделать и меньше). Поток световой мощности достигает IO6 вт/см2. Время формирования импульса очень мало (5—6-Ю-12 сек). Поэтому полупроводниковые лазеры удастся применять для создания быстродействующих переключателей света. Недалеко время, когда они найдут применения в сверхбыстродействующих оптоэлектронных вычислительных машинах.
Коэффициент полезного действия полупроводниковых лазеров очень высок. Он превышает 50% и в принципе может быть сделан близким к 100%. Это в сотни раз больше, чем у лазеров всех других известных типов.
Инверсия населенности осуществима не только при помощи тока инжекции, но, например, при воздействии светом другого лазера, дающего излучение подходящей частоты, или электронного пучка. В отличие от оптического возбуждения применение электронного пучка имеет ряд важных достоинств. Изменяя энергию электронов в пучке, можно создавать инверсию населенности в веществах с различной шириной запрещенной зоны. Поэтому метод возбуждения электронным лучом является универсальным. К. п. д. в этом случае также оказывается очень высоким.
Полупроводниковые лазеры благодаря малому размеру, весу, механической прочности, возможностям управления частотой и мощностью излучения, высокому к. п. д. и другим важным особенностям находят многочисленные и разнообразные применения, зачастую в неожиданных областях.
С физической точки зрения полупроводниковые ин-жекционные,лазеры представляют устройства, в которых осуществляется непосредственное превращение энергии электрического тока в энергию когерентного излучения.
Электромагнитное излучение всех естественных излучателей некогеретно. Все источники когерентного излучения (в диапазоне радио- и оптических частот) являются искусственными. Они созданы гением человека в резуль-
127 тате его проникновения в тайны законов природы. В этом смысле существование когерентного излучения — уникальное. Если нам удастся обнаружить когерентное излучение, приходящее к нам из космоса, мы должны предположить, что там, откуда это излучение пришло, существует цивилизация, достигшая высокого уровня развития.
