книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды

6.2.6. Поверхностно-излучающие лазеры

В отличие от геометрии традиционной структуры полупроводникового лазера в поверхностно-излучающем лазере усиление электромагнитной волны осуществляется в направлении, совпадающем с направлением электрического тока.

Поверхностное излучение возникает в активной области с очень малой длиной волны (очень малое значение усиления).

Зеркала резонатора выполнены в виде чередующихся четвертьволновых слоев с разными показателями преломления так, чтобы их оптическая толщина удовлетворяла условию:

n1d1 = n2d2 = λ4

Такие многослойные структуры работают, как интерференционные зеркала.

Малая величина усиления в таком лазере компенсируется за счет использования зеркал резонатора с большими коэффициентами отражения.

В качестве активной среды в таком лазере используются три слоя In0,2Ga0,8As/GaAs-структуры с квантовыми ямами (толщина каждого слоя составляет 8 нм).

Эти три активных слоя расположены между двумя промежуточными слоями из Ga0,5Al0,5As для того, чтобы набрать полную толщину в одну длину волны.

Нижнее и верхнее зеркала выполнены соответственно из 20,5 пар n-акти- вированных и 16 пар р-активированных четвертьволновых слоев из GaAs/AlAs, обеспечивающих очень высокую отражающую способность (~99 %) для обоих зеркал.

71

Так как длина резонатора в поверхностно-излучающих лазерах составляет несколько длин волн, расстояние между собственными типами колебаний велико, а спектр усиления очень узок.

Это облегчает работу лазера в одночастотном режиме, обеспечивая высокое качество излучения.

С другой стороны, это накладывает жесткие требования к согласованию размеров резонатора с параметрами активной среды (рабочей длиной волны и максимумом коэффициента усиления).

Диаметр излучающей поверхности (а следовательно, и поверхность, через которую протекает ток) обычно очень мал (~5…10 мкм), что определяет малое значение порогового тока (~1 мА).

Благодаря малой инерционности и высокому качеству излучения поверхностно-излучающие лазеры широко используются в системах передачи и обработки оптических сигналов со скоростью до 100 Гбит/с.

КПД такого лазера может достигать

50…60 %.

6.3. Другие типы полупроводниковых лазеров

При существенных преимуществах инжекционных лазеров перед другими типами полупроводниковых лазеров (близкий к 100 % КПД, прямое преобразование электрической энергии в когерентное излучение, простота модуляции излучения путем модуляции тока накачки, миниатюрные габариты) главным их недостатком является невозможность генерации излучения большой мощности.

6.3.1. Лазерные диоды с электронным возбуждением

Первый полупроводниковый лазер с электронным возбуждением был создан в 1964 году под руководством Н.Г. Басова в виде охлаждаемого до температуры жидкого гелия (или азота) полупроводникового кристалла, боковые грани которого образуют резонатор.

72

Метод электронно-лучевой накачки применим к полупроводникам с широкой запрещенной зоной и не требует наличия р–п-переходов.

CdS дает зеленое свечение (λ = 0,49 мкм), CdSe – красное (λ = 0,69 мкм), ZnSe –

голубое (λ = 0,46 мкм), ZnS – фиолетовое (λ = 0,33 мкм), а в ближней ИК-области перспективны GaAs и CdTe.

Сфокусированный пучок быстрых электронов с энергией до 0,5 МэВ фокусируется на поверхности полупроводникового кристалла до пятна размерами в доли миллиметра.

1 – дюар с жидким гелием; 2 – окно; 3 – полупроводниковый кристалл; 4 – электронная пушка; 5 – фокусирующая линза; 6 – поток быстрых электронов.

Попадая в полупроводник, быстрые электроны теряют энергию, переводя электроны полупроводника из валентной зоны в зону проводимости и образуя слой вещества с инверсной населенностью.

Толщина активного слоя зависит от энергии падающих электронов и обычно составляет до нескольких десятых долей миллиметра (для арсенида галлия GaAs электроны с энергией ~20 кэВ проникают на глубину 0,1 мм).

До ~30 % от исходной энергии пучка в активном слое преобразуется в излучение.

КПД полупроводниковых лазеров с электронным возбуждением составляет ~20 % (ниже, чем у инжекционных диодов), но возможность возбуждения большего объема вещества позволяет получать и большую мощность (до

1–2 кВт).

Остальная энергия рассеивается на кристаллической решетке, превращаясь в тепло.

Использование резонатора c внешними зеркалами позволяет значительно улучшить характеристики излучения полупроводниковых лазеров с электронным возбуждением и по-

высить выходную мощность до

~ 106 Вт.

73

Материалы для полупроводниковых лазеров с электронным возбуждением

Материал	Длина волны, мкм	Материал	Длина волны, мкм
ZnS	0,33	GaAs	0,84 и 3,2
ZnO	0,38	GaSb	1,6
CdS	0,5	Те	3,7
CaSe	0,6	PbS	4,3
CdSe	0,69	InSb	5,3
CdSxSe1-x	0,5÷0,69	PbTe	6,5
CdTe	0,8	PbSe	8,6

6.3.2.Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой

В1965 году впервые была получена генерация в кристалле арсенида галлия GaAs при накачке его светом рубинового лазера.

После прохождения через кювету с жидким азотом в резонаторе лазера частота излучения рубина уменьшается за счет вынужденного комбинационного рассеяния и становится близкой к энергии запрещенной зоны GaAs.

При энергии фотонов немного больше ширины запрещенной зоны происходит резонансное поглощение излучения в материале полупроводника и создается инверсная населенность.

При проникновении света рубинового лазера в кристалл арсенида галлия на глубину примерно 0,5 мм возбуждается довольно большой объем материала и достигается значительная выходная мощность (до 200 кВт в импульсе), что определяет высокое значение КПД (~50 %).

Материал	Длина	Материал	Длина	Материал	Длина
	волны		волны		волны
	λ, мкм		λ, мкм		λ, мкм
CdS	0,5	InAs	3,2	PbTe	6,5
GaAs	0,85	InSb	5,3	PbхSn1-хTe	6,5–16,5

74

Если энергия фотонов излучения накачки меньше ширины запрещенной зоны, то при большой интенсивности пучка таких фотонов они могут поглощаться полупроводником в виде пар, что эквивалентно поглощению одного кванта с энергией, равной сумме энергий двух квантов (двухфотонный процесс).

Метод двухфотонного возбуждения позволяет накачивать больший объем вещества, но требует чрезвычайно большой мощности накачки (~16 МВт/см2), а КПД оказывается всего ~0,5 %.

6.3.3. Полупроводниковые лазеры с прямым электрическим возбуждением

Принцип работы лазеров с прямым электрическим возбуждением имеет много общего с принципом работы инжекционных лазеров.

Если между двумя областями кристалла с проводимостью р-типа создать тонкий слой (~1 мкм) чистого высокоомного полупроводника, то при приложении импульсного напряжения ~10 В этот слой пробивается и электроны переходят в зону проводимости.

При длительности электрического импульса меньше времени жизни электрона в зоне проводимости (~10–7 с) происходит рекомбинация электронов и дырок с испусканием излучения.

Лазеры этого типа работают только в импульсном режиме, и их КПД примерно в 10 раз меньше, чем у инжекционных лазеров, но простота и компактность конструкции, а также возможность использования материалов, в которых трудно создать р–п-переход, делают их весьма перспективными.

Пока лазер этого типа осуществлен только в арсениде галлия с примесью цинка и марганца.

75

Лекция 7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Активная среда твердотельного лазера состоит из двух основных компонентов: матрицы – кристаллической или стеклообразной основы и равномерно распределенных в ней атомов (или ионов) активатора.

Энергетические уровни атомов в твердой активной среде отличаются от уровней свободных атомов (например, в идеальном газе), так как на атом оказывает воздействие электрическое поле окружающих атомов, координированных определенным образом.

Это приводит к расщеплению электронных уровней, появлению подуровней и, следовательно, расширению уровней с образованием энергетических полос.

Наибольшее расширение испытывают уровни энергии внешних электронов в атомах, так как внутренние электронные оболочки экранируются от воздействия полей других атомов внешними оболочками.

Ионы активатора находятся в твердой среде в положении изоморфно замещенных ионов основы, поэтому радиус иона активатора не должен сильно отличаться от радиуса замещаемого иона матрицы.

Энергетические уровни ионов активатора в решетке основы располагаются в запрещенной зоне, которая в диэлектрике составляет несколько электронвольт.

Это приводит к окрашиванию материала активной среды, в то время как чистая основа обычно является совершенно бесцветной и прозрачной оптической средой.

Окрашивание связано с появлением в активированной среде областей селективного поглощения и спонтанной люминесценции (центров окраски).

76

На ширину спектральных линий активатора оказывает влияние:

Расщепление уровней в электрическом поле окружающих атомов.

Расширение спектральных линий из-за неоднородности среды.

Расширение спектральных линий в результате тепловых колебаний.

Повышение концентрации активатора в основе может привести к появлению дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне.

7.1. Требования к активатору

Атом активатора в кристаллической решетке основы должен иметь метастабильный уровень с большим временем жиз-

ни и узкой линией люминесценции (менее нескольких см–1).

Мощность накачки активной среды тем меньше, чем больше время жизни верхнего уровня вынужденного излучательного перехода и чем меньше ширина его линии.

Ширина линий люминесценции и их число должны быть минимальными для достижения высокого квантового выхода.

Таким требованиям отвечают актиноиды, редкоземельные и некоторые переходные металлы.

Малая ширина спектральных линий у этих элементов объясняется тем, что электронные излучательные переходы у них осуществляются в глубоко лежащих слоях, хорошо экранированных от воздействия внешнего поля кристаллической решетки.

77

Атом должен иметь широкую полосу или больше линий поглощения, чтобы можно было создать инверсную населенность метастабильных уровней.

Чем шире полосы поглощения активатора, тем более эффективно используется излучение источника накачки для возбуждения активных атомов.

Большинство возбужденных атомов должно осуществить безызлучательный переход не на основной, а на метастабильный уровень.

Это позволяет получить высокую заселенность метастабильного состояния, что увеличивает КПД лазера.

Энергетический уровень линий поглощения не должен сильно превышать верхний рабочий (метастабильный) уровень.

Чем больше разница в частотах поглощения и излучения, тем большая часть поглощенной энергии будет расходоваться на тепловые потери в кристалле.

Атом активатора не должен иметь дополнительных линий поглощения, кроме тех, которые необходимы для возбуждения.

Это особенно относится к поглощению на частоте генерации, которое может происходить при переходах с основного уровня, с конечного (для четырехуровневой системы) и с метастабильного.

В четырехуровневой системе резонансное поглощение при переходах с конечного уровня маловероятно, так как он практически не заселен, однако поглощение при переходах с метастабильного уровня вполне возможно.

В трехуровневых системах имеет место резонансное поглощение (при переходах с основного уровня на метастабильный) и поглощение при переходах с метастабильного уровня в полосы поглощения.

Материал матрицы также не должен иметь полос поглощения на частоте генерации, так как это будет приводить к потерям энергии на разогрев активной среды и к ухудшению параметров прибора.

78

7.2. Требования к матрицам

Основа лазерной среды должна быть прозрачной, то есть не иметь ни собственного поглощения, ни поглощения на естественных примесях на частотах и возбуждения, и генерации во избежание вредного разогрева кристалла.

Основа лазерной среды должна обладать высокой теплопроводностью, а также иметь высокую оптическую и механическую однородность.

Дефекты и механические напряжения увеличивают порог генерации, паразитное поглощение и рассеяние энергии.

Это увеличивает расходимость луча и уменьшает его интенсивность.

Материал основы должен иметь высокую твердость, термическую и химическую стойкость, что облегчает изготовление резонатора требуемой формы.

Активный элемент лазера должен иметь высокую чистоту обработки поверхности (0,15–0,25 мкм) и плоскопараллельность (не более 3–5‘).

Кристаллическая структура основы должна быть способна растворять ионы активатора.

При малом различии ионных радиусов ионов основы и активатора возможно достижение более высоких концентраций активатора в основе без заметных оптических дефектов (механических напряжений, неоднородного распределения примесей, коллоидных образований и т.д.).

Материал основы должен быть устойчивым к воздействию ультрафиолетового излучения лампы накачки.

Технология получения материала основы должна обеспечивать изготовление активных элементов больших размеров для повышения мощности генерируемого излучения.

79

В качестве активной среды для твердотельного лазера используются:

Искусственно выращенные	Силикатные или	Оптические лазерные
диэлектрические кристаллы.	фосфатные стекла.	керамики.

Стекла по сравнению с кристаллами обладают следующими преимуществами:

Из стекол сравнительно просто получаются заготовки активных элементов любой формы.

Значительное по сравнению с кристаллами неоднородное уширение спектров в стеклах облегчает эффективную накачку.

Хорошо отработанная технология позволяет получать стекла высокой однородности и в больших объемах.

Лазерные стекла значительно дешевле лазерных кристаллов.

Но стекла по сравнению с кристаллами имеют и существенные недостатки:

У стекол хуже термостойкость, поэтому они плохо выдерживают частотный режим.

У стекол меньшие значения эффективного сечения стимулированного излучения.

У стекол меньше теплопроводность.

80