Главная | Обратная связь

Твердотельные и гетеролазеры

 

Твердотельные лазеры – это лазеры, в которых активной средой служат диэлектрические кристаллы или стекла, активированные ионами группы железа или ионами редкоземельных элементов.

В первом твердотельном лазере, разработанном в 1960 г., был использован кристалл рубина ( ), содержащий ионы Cr³⁺. В нем использовались оптическая накачка и открытый резонатор. Накачка создавалась ксеноновой лампой. Ионы Cr³⁺ поглощают излучение накачки и переходят из основного состояния в полосу накачки, а затем путем безизлучательного перехода заселяют метастабильный уровень. Далее путем перехода из метастабильного на основной уровень возникает когерентное излучение с длиной волны 0,694 мкм.

 

Рисунок 4.1 Функциональная схема рубинового лазера.

 

1 – активный элемент;

2 – зеркала резонатора;

3 – осветитель;

4 – блок питания накачки;

5 – блок охлаждения;

6 – устройство управления;

7 – блок управления.

В стеклянной трубке расположен рубиновый стержень, на торцах которого имеются отражающие зеркала. Стержень возбуждается импульсной лампой и охлаждается проточной водой, поскольку КПД твердотельных лазеров составляет всего несколько процентов. Выходная мощность может достигать несколько десятков джоулей в импульсном режиме и зависит от энергии накачки.

Вторым типом твердотельных лазеров был лазер на стекле, активированном ионами неодима Nd³⁺ . В настоящее время это один из наиболее распространенных типов лазеров благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных активных элементом. Лазеры на неодимовых стеклах работают по четырехуровневой схеме. Эти лазеры позволяют генерировать значительную энергию (~10⁴ Дж). Однако стекла имеют плохую теплопроводность и требуют применения эффективных систем охлаждения.

Большой эффективностью обладают лазеры, в которых используются мо-

нокристаллы алюминий-иттриевого граната ( ) и ортоалюмината иттрия ( ). Оба эти кристалла также активируются ионами неодима Nd³⁺. Генерация осуществляется по четырехуровневой схеме. Лазеры излучают колебания в инфракрасном диапазоне с длиной волны 1,064 мкм. Во всех лазерах подобного типа накачка создается дополнительным оптическим источником: дуговые лампы с криптоновым наполнением, инжекционные полупроводниковые лазеры. Твердотельные лазеры на кристаллах, легированные неодимом, способны в непрерывном режиме генерировать оптическое излучение с мощностью в несколько киловатт при энергосъеме ~ 10 Вт с 1 см³ активной среды. Лазеры подобного типа с успехом работают в режиме модуляции добротности резонатора, что позволяет генерировать гигантские импульсы, длительность и мощность которых зависят от скорости включения затвора. Обычные длительности таких импульсов порядка 10^-10с при пиковой мощности МВт.

Определенный интерес для создания миниатюрных твердотельных лазеров представляют монокристаллы двойного галий-гадолиниевого вольфрама, легированные неодимом, а также галий-скандий-гадолиниевые гранаты, легированные либо хромом, либо неодимом. К настоящему времени эффект стимулированного излучения обнаружен более чем у 250 кристаллов с примесью ионов переходных групп таблицы Менделеева (Nd, Ho, Tu, Yb, Eг).

Применение твердотельных лазеров чрезвычайно разнообразно. Это – лазерная технология в обрабатывающей промышленности (сварка, резка, упрочнение поверхности металлоизделий); технология электронных приборов, лазерная медицина (хирургия, терапия), локация атмосферы, оптическая обработка информации, лазерная химия и разделение изотопов, лазерная диагностика плазмы и термоядерный синтез.

Гетеролазеры

Это лазеры на основе полупроводниковой активной среды. В отличие от

лазеров других типов, в которых используются квантовые переходы между разрешенными дискретными уровнями, в полупроводниковых лазерах используются переходы между разрешенными энергетическими зонами (рис. 4.2).

а) б) в)

Рисунок 4.2 Энергетические переходы в полупроводниках

 

заставить полупроводник усиливать падающий на него свет необходимо, как и в любом другом лазере, создать в нем инверсию населенностей, с тем чтобы концентрация электронов в области, привыкающей ко дну зоны проводимости, была выше концентрации электронов в области, примыкающей к потолку валентной зоны. Если в такой идеальный полупроводник попадают фотоны с энергией, большей ширины запрещенной зоны, то возникают вынужденные переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием новых фотонов, точно совпадающих по своим свойствам с первичными фотонами. В этом случае полупроводник может усиливать и генерировать оптический пучок.

В соответствии с зонной теорией полупроводников при поглощении фотона происходит переброс электрона из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуется дырка. Одновременно с процессом генерации электронно-дырочных пар происходит процесс перехода возбужденного электрона в валентную зону, где он занимает место дырки (рекомбинация электронно-дырочной пары). Если рекомбинация электронно-дырочной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимости на свободное место в валентной зоне называется прямым. Если же такой переход электрона сопровождается изменением колебательного состояния решетки с излучением фонона, то переход называется непрямым.

Для создания условий усиления оптического пучка необходимо создать полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие (вырожденный полупроводник). С этой целью увеличивается концентрация электронов вблизи дна зоны проводимости и дырок около потолка валентной зоны. Создавать условия вырождения одновременно электронов и дырок в одном полупроводнике очень трудно. Поэтому используют два полупроводника n и p типов, в каждом из которых электроны или дырки вырождены. Это достигается в электронно-дырочном переходе на границе p и n слоев. Условие инверсии населенностей выполняется при приложении к p-n переходу внешнего напряжения в прямом направлении. В этом случае через p-n переход потекут электронные и дырочные токи. В тонком слое p-n перехода они рекомбинируют, излучая фотоны с частотой . Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в p-n переходе концентрацию носителей, достаточную для условия вырождения электронов и дырок. Чем выше электрическое поле в p-n переходе, тем больший ток протекает через переход. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает поглощение, называется пороговым. На пороге генерации должно выполняться условие

kR 1, (1.20)

где k – коэффициент усиления на длине активной среды,

R – коэффициент отражения зеркала резонатора.

При токе выше порогового p-n переход является усиливающей средой. Введя положительную обратную связь в виде резонатора, из усилителя света можно получить генератор.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход, получил название инжекционного лазера. Причем сотояние инверсии можно создать электронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.

Среди лазерных материалов выделяются соединения и составы, составляющие изопериодические пары. Это пары кристаллов, различающихся по химическому составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. Эти материалы пригодны для создания методами электронно-лучевой эпитаксии бездефектных гетеропереходов. Поэтому широкое применение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур. Наиболее эффективными оказались полупроводниковые лазеры на основе двойной гетероструктуры с активным слоем из узкозонного (т.е. с малой шириной запрещенной зоны) полупроводника, заключенного между двумя слоями широкозонного полупроводника (эмиттерные слои). Активный слой обладает прямозонными переходами, а также свойствами диэлектрического волновода, который удерживает поток излучения и уменьшает дифракционные оптические потери. Активный слой образует собой потенциальную яму для избыточных носителей одного или обоих знаков. Двухстороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению в активном слое областей инверсной населенности и светового поля. Поэтому в гетеролазерах уже при малом токе накачки можно получать устойчивую генерацию. Резонатором таких лазеров служат грани кристалла (рис. 4.3), но можно использовать и внешние оптические отражатели (зеркала). Полупроводниковые лазеры могут быть объединены в многоэлементном излучателе – фазированные лазерные монолитные ячейки или лазерные матрицы.

В гетеролазерах в качестве узкозонного материала с прямыми переходами используют соединение GaAs (арсенид галия с = 1.5 эВ). Более широкозонный элемент, выполняющий роль эмиттера, является непрямозонным.

Например, соединение AlAs (арсенид алюминия с =2.1 эВ). Эти два соединения наиболее подходящи для создания гетеролазеров, поскольку у них и периоды решетки различаются на 0,14% , что необходимо для успешной генерации света.

Рисунок 4.3 Схема полупроводникового лазера.

 

Квантоворазмерные лазеры.

При уменьшении активного слоя в гетеролазере до толщины менее 30 нм в нем проявляется волновая природа электронов. Такие полупроводниковые лазеры называются квантоворазмерными или лазеры с «квантовыми ямами». Если в микроэлектронных приборах поведение электрона определяется как поведение элементарной частицы, имеющей массу и заряд, то в приборах, где толщина переходов находится в нанометровой области (~10^{-9 м), поведение электрона определяется его волновыми свойствами. Наноэлектронный элемент состоит из набора квантовых ям или квантовых точек и потенциальных барьеров между ними. Такие квантовые ямы могут создаваться путем создания многослойной структуры, состоящей из слоев с различным типом проводимости или различным сопротивлением. Например, тонкий слой металла, ограниченный с двух сторон тонкими слоями диэлектрика. Металл представляет собой квантовую яму, а диэлектрики создают туннельные барьеры. Преодолеть такие барьеры могут только электроны, обладающие достаточной энергией, а остальные электроны с меньшей энергией запираются в яме. Проникновение электронов через барьер называется туннелированием.}

ЛЕКЦИЯ 5