О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 29

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

Узагалі ексимерні лазери можна класифікувати трьома гру­пами [32]:

- лазери на димерах інертних газів (Ar2, Kr2, Xe2);- лазери на моноголоїдах інертних газів (ArC4,ArF,XeBr,XeC4..);

- лазери на оксидах інертних газів (KrO, XeO).

Також розробляються на сполуках парiв металiв з інертни­ми газами HgXe, TIXe і на суміші металів NaHg, GdHg.


В основному стані ексимерна молекула є нестійкою і для двохатомної молекули криві потенційної енергії мають такий вигляд (рис. 7.18). Рівень E0 є основним, а E\ збудженим.

Така форма потенційної енергії свідчить про те, що молекула не може існувати в основному стані через відсутність потенцій­ної ями атоми відштовхуються один від одного. Якщо в робо­чому об'ємі створити велику концентрацію ексимерних моле­кул, то на переході Ei E0 можна отримати лазерну генерацію. Лазерні переходи в ексимерах мають дві важливих властиво­сті. При переході в основний стан молекула дуже швидко, зачас 10-14 c, розпадається, а отже, нижній лазерний рівень дуже швидко стає порожнім. Час життя збудженої молекули - екси-мера має порядок наносекунди. Лазерний перехід відповідає широкому спектральному інтервалу з причини відсутності дис­кретної коливально-обертальної структури нижнього лазерно­го рівня. Це дозволяє отримувати широку смугу робочих частот, що знаходяться у видимому та УФ- діапазонах довжин хвиль із майже плавною її перебудовою. Здатність генерувати наносе-кундні імпульси великої енергії (до 105 Дж) при високих ККД (до 10%) робить їх перспективними ОКГ для використання в медицині, для очищення металів, у хімічній діагностиці та син­тезі, для сортування ізотопів та ін.

Для накачування ексимерних лазерів використовують де­кілька методів. Першим є збудження високоенергетичним еле­ктронним потоком. Енергія електронів сягає меж від 300 кеВ до 1 МеВ, густина струму сотні амперів на квадратний санти­метр для загального струму 5—50 кА, тривалість імпульсу від 50 нс до 1 мкс. При цьому накачуванні ККД перевищує 10%. Другим методом є накачування за допомогою газового розря­ду. Він істотно спрощує конструкцію лазера, оскільки дозво­ляє відмовитися від електронного прискорювача. Третій метод — метод оптичного накачування.

Хімічні лазери. Хімічний лазер це лазер, у якому інверсія заселеності досягається безпосередньо за рахунок хімічної ре­акції. Хімічна реакція може відбуватися як за допомогою зовні­шнього впливу (температура, хімічні каталізатори, випроміню­вання і т. ін.), так і без нього [17]— [19], [22], [32], [33].

Хімічні лазери становлять інтерес із двох основних причин:

1.  Вони є пристроями прямого перетворення хімічної енергії в електромагнітну.

Від цих лазерів можна одержувати високу вихідну поту­жність (у безперервному режимі) або високу вихідну енергію (в імпульсному режимі), що обумовлено досить великим виділен­ням енергії в екзотермічній реакції, яку можна використовувати для збудження.

Найбільший інтерес, із точки зору практичного застосува­ння, становлять хімічні лазери, в яких інверсійна заселеність створюється між коливально-обертальними рівнями двох мо­лекул, що утворюються під час проходження реакції в спе­ктральному діапазоні 3 — 10 мкм. їх перевагами можна вва­жати досить високий ККД (близько 10%), можливість отри­мання високих потужностей у безперервному режимі (більше ніж 10 кВт) та високі значення енергії на одиницю об'єму (до 10 Дж/л). До недоліків можна віднести одноразовість викори­стання реагентів, їх високутоксичність та вибухонебезпечність.

Конструктивно хімічні лазери подібні до газодинамічних та рідинних лазерів, в залежності від агрегатного стану хімічних реагентів.

Механізм накачування, використовуваний у лазері на HF,
пов'язаний з так званою холодною реакцією: F + H2 —>
—> HF * + H. Оскільки теплота, що виділяється під час реа-
кції, становить 71,6 ккал/моль, то молекула
HF може виявити-
ся в збудженому стані. Якщо використовується молекулярний
фтор, то інверсія заселеностей може також виникати при моле-
кулі
F2 з атомарним воднем, що утворюються в реа-
кції:           
H + F2 —> HF * + F. Хімічна енергія цієї "гарячої"
реакції (98 ккал/моль) істотно перевищує енергію холодної ре-
акції й може приводити до збудження молекули
HF до більш
високих коливальних рівнів.

Хімічний лазер, що працює на молекулі DF, дозволяє отри­мати безперервну потужність (2,2 МВт). Застосування моле­кули DF замість HF пов'язане з тим, що довжина хвилі ви­промінювання DF відповідає вікнам прозорості атмосфери. Ці лазери з причини високої агресивності й реакційної здатності використовуються лише у військовій галузі.7.6.   Напівпровідникові оптичні квантові генератори

 

Перший напівпровідниковий лазер був винайдений у 1961­1962 рр. на арсеніді галію. Напівпровідниковий ОКГ є лазе­ром із напівпровідниковим кристалом як робочою речовиною. У напівпровідниковому лазері, на відміну від лазерів інших ти­пів, використовуються випромінювальні квантові переходи не між ізольованими рівнями енергії атомів, молекул та іонів, а між дозволеними широкими енергетичними зонами кристала [17]— [19], [22], [32], [33], [80]— [87]. Останнє, за типом створення ін­версійної заселеності, наближає їх до рідинних лазерів на орга­нічних барвниках.

У напівпровідниковому лазері збуджуються і випромінюють
(колективно) атоми, з яких складається кристалічна решітка.
Ця відмінність визначає важливу особливість напівпровідни-
кового лазера — малі розміри та компактність (об'єм криста-
ла 10-6
------- 10-2 см3). У напівпровідниковому лазері вдається

отримати показник оптичного підсилення до 104 см-1, хоча за­звичай для збудження генерації лазера достатні й менші значе­ння.

Напівпровідникові лазери займають у квантовій електроніці особливе місце завдяки ряду своїх особливостей:

-   компактності, обумовленої в тому числі й великим коефі­цієнтом підсилення;

-   високому ККД унаслідок ефективного перетворення енер­гії накачування в лазерне випромінювання (при накачуванні електричним струмом до 80%, у перспективі до 90%);

-   широкому діапазону довжин хвиль генерації, що є резуль­татом великого вибору напівпровідникового матеріалу з різною шириною забороненої зони та реалізації технологій створення напівпровідників на базі квантових ям, дротів та точок, що до­зволяє реалізувати генерацію в будь-якій точці спектрального інтервалу від 0,3 до 32 мкм;плавній перебудові довжини хвилі випромінювання, що обумовлено залежністю спектрально-оптичних властивостей напівпровідників і насамперед ширини забороненої зони від температури, тиску, магнітного поля і т. д. ;

-   малій інерційності, через малий час релаксації в межах зон і практично безінерційність створення нерівноважних електро­нів і дірок;

-   простоті конструкції, обумовленій можливістю накачува­ння постійним струмом, що приводить до сумісності напівпро­відникових лазерів з інтегральними схемами напівпровіднико­вої електроніки, пристроями електронної оптики і волоконних оптичних ліній зв'язку.

Усі переваги напівпровідникових лазерів відкривають ши­рокі перспективи їх застосування у промисловості й наукових дослідженнях. Завдяки малим розмірам і можливості високо­частотної модуляції випромінювальної потужності напівпровід­никовий лазер — один із перспективних джерел випромінюван­ня для волоконно-оптичних систем зв'язку. В наукових дослі­дженнях лазери використовуються в молекулярній та атомній спектроскопії, газовій спектроскопії та для контролю забрудне­ння атмосфери.

До недоліків напівпровідникових лазерів можна віднести малі потужності та енергії вихідного випромінювання, що є при­чиною кількох факторів. Перший — це малі розміри активно­го елемента і безпосередньо активної області. Другий — фактор це наявність катастрофічної оптичної деградації дзеркал підчас проходження через вихідне дзеркало випромінювання. Остан­ні показники максимальної густини потужності набувають зна­чень 29 — 40 МВт/см2 [80].

Ще одним фактором є збільшення робочої температури ла­зерного кристала порівняно з температурою тепловідведення під час проходження струму, що призводить до зниження за­гальної диференційної ефективності та прискорення деградаціїлазера. Чутливість до перевантажень i до перегрівання сприяє різкому підвищенню порога самозбудження i незворотного руй­нування при розігріванні понад деяку характерну для кожного типу лазера температуру. Крім цього, до недоліків можна віднє-сти багатомодовий склад випромінювання, великий кут розхо­дження та асиметричність лазерного пучка, сильну залежність довжини хвилі від температури активного шару, неможливість генерації нано- і субнаносекундних імпульсів, незадовільну ча­сову стабільність [81], [82].

Зменшення ефективності та прискорена деградація лазе­рів на великих потужностях можуть бути попереджені за ра­хунок зменшення температури в робочій точці лазерного кри­стала та підвищення ККД приладу [80]. Крім того, підвищен­ня ефективності тепловідведення можна досягти збільшенням довжини кристала. Згідно з [80] ККД смужкових лазерних діо­дів можна визначити за

(7.10)

 

(7.11)де г/ і rr коефіцієнти відбиття передньої та задньої граней ла­зера; Inop пороговий струм; L довжина резонатора; W ширина смужки; rji ККД, внутрішня квантова ефективність; U0 напруга відсічки; as питомий електричний опір структу-

ри.

Таким чином, задача отримання потужного лазерного діода зводиться до підвищення порога катастрофічної оптичної де­градації дзеркал та оптимізації параметрів структури криста­лів: досягнення 100% внутрішнього квантового виходу, низьких оптичних втрат, низького послідовного опору та напруги відсі­чки, яка відповідає ширині забороненої зони активної області.Покращання якості лазерного випромінювання має досяга­тися локалізацією активних центрів у напівпровідникових гете-роструктурах, що дозволить наблизити їх енергетичні спектри до енергетичних спектрів ізольованих атомів та молекул і збіль­шенням концентрації цих локалізованих центрів на поверхні і в об'ємі. Це реалізується використанням технологій створення лазерних кристалів на основі квантових ям, квантових дротів (ниток) та квантових точок (скриньок) [83], [21], [84], [85].

Конструктивно перші напівпровідникові лазери майже не відрізняються від напівпровідникового світлодіода. Структуру напівпровідникового активного кристала та особливості ство­рення інверсійної заселеності у напівпровіднику детально ви­кладено в розділі 3 та широко пояснено в багатьох літературних джерелах, зокрема і в [19], [22], [17], [32] та ін.

Уведемо поняття порогового струму Inop лазерного діода. Пороговим називається мінімальний струм Inop, при якому під­силення випромінювання за рахунок вимушених переходів пе­реважає втрати в кристалі напівпровідника. Виходячи з поро-гових або амплітудних умов виникнення генерації, порогова гу­стина струму для гетероструктур, згідно з [22], визначається як

 

eB ^ 11 Jnop = -^-^2 ао£ + рш + yln-   , (7.12)

 

де A0 коефіцієнт пропорційності між коефіцієнтом підсилен­ня а0 та концентрацією нерівноважних носіїв заряду; d тов­щина активного шару; £ коефіцієнт утримання світла в актив­ному шарі, або параметр оптичного обмеження.

Якщо товщина активного шару d < A/2n, то формула 7.12 буде адекватною. У протилежному разі, навіть при повному внутрішньому відбитті, хвиля виходитиме за межі активного шару, що приведе до необхідності збільшення порогового стру­му. Саме тому іноді для оцінки якості лазера користуються по­няттям номінальної порогової густини струму, яка визначаєтьсявідношенням Jnop/d.


При струмі, меншому за пороговий, вихідне випромінюван­ня виникає головним чином за рахунок спонтанної емісії і має спектральну характеристику шириною близько сотні ангстре­мів випромінюється некогерентне світло (рис. 7.19 а). У міру зростання струму накачування в області переходу створюється висока інверсійна заселеність і випромінюється більше фото­нів. Перехід від спонтанної емісії до лазерного випромінюван­ня відбувається різко, після того як струм перевищить граничне порогове значення Inop. При цьому спостерігається різкий злам на кривій залежності потужності оптичного випромінювання від струму накачування (рис. 7.19 б), який є результатом різкого збільшення квантового виходу в лазерному процесі. Також по­трібно враховувати і залежність Inop від температури кристала (рис. 7.19 в). Випромінювання лазерного діода, отримане за гу-

стини струму вище порогової, є когерентним. При цьому фор­ма кривої спектрального розподілу різко зміниться відширокої кривої розподілу спонтанної емісії до кривої з кількома вузьки­ми модами, як показано на рис. 7.19 а.За типом накачування напівпровідникові лазери можна роз­ділити на інжекційні лазери, лазери з накачуванням високо­енергетичним електронним потоком та лазери з оптичним на­качуванням. За структурою напівпровідникового кристала роз­різняють лазери на однорідному кристалі, лазери на гомопере-ході, лазери на одному та подвійному гетеропереходах. Лазери на гетеропереходах можна поділити на лазери з потенціальною ямою, квантовою ямою, квантовою ниткою або дротом (смуго­ві) та квантовими точками або ящиками. Відносно розташуван­ня площини активного шару розрізняють лазери з подовжнім та поперечним накачуванням. За реалізацією позитивного зворо­тного зв'язку можна класифікувати лазери з подовжнім та вер­тикальним розташуванням резонаторів і лазери з реалізацією розподіленого зворотного зв'язку.

 

 

7.6.1.   Інжекційні лазери на гомопереході

Історично першим напівпровідниковим лазером був лазер на гомопереході, конструкція та характерні розміри якого по­дані на рис. 7.20.

Як р-, так і n-області є виродженими напівпровідника­ми, тобто концентрація активних центрів у них порядку 1018 атом/см3. Контакт р- та n- типів одного напівпровідника утво­рює активну область — р-n- перехід, аналогічно звичайному діоду. Ширина цієї області, згідно з теорією дифузії, визнача­ється як d = л/Dr, де D коефіцієнт дифузії і для GaAs ста­новить приблизно 1 мкм.

Зворотний позитивний зв'язок реалізується нанесенням на паралельно сколоті торці покриттів, що відбивають випромі­нювання. Іноді, через великі показники заломлення, зворотний зв'язок реалізується і без них на рівні коефіцієнтів відбиття r ~ 0, 35. Бічні сторони роблять непаралельними для запобі­ганню виникнення поперечної генерації.200-500мкм

Рисунок 7.20 Спрощена конструкція напівпровідникового лазера на гомопереході: 1 металева пластинка контакту та охолодження; 2 електричний контакт; 3 область типу n; 4 р-n- перехід, або активна область; 5 область типу р; 6 сколоті торцеві грані - резонатори

 

 

Густина порогового струму для більшості гомолазерівпорядку 105 А/см2. Оскільки площа діода становить близько 10-4 см2, максимальний струм зазвичай досягає 10 А. Прохо­дження через p-n- перехід таких струмів призводить до сильно­го його розігріву, а це, у свою чергу, зменшує ефективність ви­промінювання. Саме тому гомолазери не набули великого по­ширення, оскільки при кімнатній температурі працюють лише в імпульсному режимі, при піковій вихідній потужності в 10 Вт. Безперервний режим роботи може бути реалізований тільки при охолодженні до низьких температур.

Гомолазери мають невисокі експлуатаційні параметри — ве­ликий пороговий струм, малий термін служби, низький ККД. Це пояснюється великою ймовірністю безвипромінювальної ре­комбінації у вироджених напівпровідниках; поглинанням ге­нерованого в активній області випромінювання у прилеглих "пасивних" областях. Структура лазера сприяє виникненню поглинання. Як зазначалося вище, товщина активної області у перпендикулярному до p-n- переходу напрямку становитьблизько 1 мкм. Однак унаслідок дифракції отриманий розмір лазерного пучка в цьому напрямку значно більший за товщину активної області (>5 мкм). Лазерний пучок глибоко проникає в p- і n-області, де поглинається значною кількістю носіїв заря­ду, тому що енергія фотонів відповідає ширині забороненої зони. Крім того, електрони та дірки, маючи велику довжину вільного пробігу, проходять активну область, майже не беручи участь у процесі генерації лазерного випромінювання і рекомбінують у пасивних областях.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка