Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры (лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур) представляют собой ключевые источники когерентного излучения в видимом и инфракрасном диапазоне. Их работа основана на комбинировании электролюминесценции полупроводников с эффектом оптического резонатора, обеспечивающего усиление света через вынужденное излучение.

Вынужденное излучение возникает, когда фотон с энергией, равной ширине запрещённой зоны полупроводника, индуцирует переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, сопровождающийся испусканием дополнительного фотона с одинаковой фазой и направлением. Именно этот процесс лежит в основе когерентности излучения лазера.

Структура полупроводникового лазера

Современные полупроводниковые лазеры обычно имеют гетероструктурную конструкцию, состоящую из трёх основных слоёв:

  1. Активная область – полупроводниковый слой с малой шириной запрещённой зоны, где происходит генерация фотонов.
  2. Оболочка или клиновидный слой – слои с более широкой запрещённой зоной, создающие потенциальные барьеры для электронов и дырок, удерживающие их в активной области (эффект квантового ограничения).
  3. Волновод или резонатор – структура, которая обеспечивает многократное прохождение света через активную область, усиливая его за счёт вынужденного излучения. Чаще всего это Fabry–Pérot резонатор, образованный отражающими гранями кристалла.

Ключевой момент: оптимальное согласование энергетических зон между слоями обеспечивает высокую эффективность лазера и минимальные потери энергии на неиспользуемое излучение.

Условия инверсии населённостей

Для генерации лазерного излучения необходима инверсия населённостей, когда число электронов в зоне проводимости превышает число свободных состояний в валентной зоне. Достигается это электрическим возбуждением (ток через p-n переход) или оптическим накачиванием.

Инверсия обеспечивается при:

  • Достаточном плотностном токе в активной области.
  • Энергетической изоляции электронов и дырок внутри активного слоя.
  • Минимальных нелинейных и потерьных процессах, таких как рекомбинация без излучения.

Механизм генерации и усиления света

Полупроводниковый лазер работает по следующему принципу:

  1. Электрический ток инжектируется через p-n переход.
  2. Электроны и дырки рекомбинируют в активной области, создавая фотонное излучение.
  3. Часть излучения подвергается вынужденному излучению, усиливаясь при каждом проходе через активную область.
  4. Резонаторные грани формируют стоячие волны, что обеспечивает монохроматичность и направленность лазерного пучка.

Ключевой момент: пороговая величина тока определяется условиями, при которых усиление вынужденного излучения превышает суммарные потери резонатора.

Типы полупроводниковых лазеров

  1. Fabry–Pérot лазеры – классическая плоская структура с отражающими гранями, обеспечивающая многорежимную генерацию.
  2. Диодные лазеры с квантовыми ямами – активная область представляет собой тонкие слои с квантовыми ямами, что повышает эффективность и позволяет достигать узкого спектра излучения.
  3. Горизонтальные волноводные лазеры – конструкция с направлением излучения вдоль поверхности кристалла, применяемая для интеграции в оптические схемы.
  4. Вертикальные резонаторные лазеры (VCSEL) – лазеры с вертикальной ориентацией излучения, где резонатор образован многослойными отражателями (DBR). Отличаются низким пороговым током и высокой стабильностью работы.

Спектральные и временные характеристики

  • Длина волны лазера определяется шириной запрещённой зоны активного материала и квантовыми эффектами.
  • Ширина спектра излучения может варьироваться от нескольких нанометров до долей нанометра для лазеров с квантовыми ямами.
  • Временные характеристики включают возможность модуляции с частотами до десятков гигагерц, что делает полупроводниковые лазеры идеальными для оптоволоконной связи.

Тепловые и нелинейные эффекты

При высокой плотности тока и мощности излучения наблюдаются:

  • Тепловой сдвиг длины волны, обусловленный нагревом активного слоя.
  • Нелинейные потери, включая многоквантовую рекомбинацию и эффект насыщения.
  • Самофокусировка и рассеяние, влияющие на качество пучка.

Эффективное охлаждение и инженерная оптимизация структуры позволяют минимизировать эти эффекты и увеличить срок службы лазера.

Применение полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры находят широкое применение в:

  • Оптоволоконной связи, где требуется высокоскоростная и стабильная модуляция.
  • Медицинских технологиях, включая лазерную хирургию и терапию.
  • Системах лазерного сканирования и измерений.
  • Интегрированной фотонике, где лазеры интегрируются на чипе с другими электронными и оптическими компонентами.
  • Промышленной обработке материалов, включая лазерную маркировку и резку тонких пленок.

Ключевой момент: компактность, высокая эффективность и возможность прямой электрической накачки делают полупроводниковые лазеры незаменимыми в современной фотонике и электронике.

Оглавление