Принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров

Содержание генератор электромагнитный полупроводниковый лазер Введение

1. Полупроводниковые лазеры

2. Принцип действия

3. Электрическая схема экспериментального ПЛ

4. Применение лазеров

5. Практическое и промышленное применение лазера Заключение Список использованных источников

Введение

В данной курсовой работе будет рассмотрен принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров.

Термин «лазер» появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, так широко он вошел в обиход. Появление лазеров — одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.

Впервые генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г. советскими физиками А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым и американским физиком Ч. Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.

Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан Т. Мейманом (США) в 1960 г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора — лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Год спустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот — США). А ещё через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.

1. Полупроводниковые лазеры Рис. 1. Полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В полупроводниковых лазерах, в отличие от лазеров других типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В полупроводниковый лазерах возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность полупроводниковых лазерах малые размеры и компактность. Другими практически важными особенностями полупроводниковых лазеров являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Полупроводниковые лазеры. Прежде чем говорить о принципе работы полупроводникового лазера, напомним некоторые сведения о полупроводниках.

Энергетический спектр идеального полупроводникового кристалла (кристалл без дефектов и примесей) состоит из широких полос разрешенных состояний электронов — зоны проводимости и валентной зоны, разделенных зоной запрещенных состояний (запрещенная зона). В валентной зоне и зоне проводимости энергетические состояния электронов образуют практически непрерывный спектр.

В идеальном полупроводнике при T=0 К все электроны находятся в валентной зоне. Зона проводимости полностью свободна от электронов. В этом случае полупроводник не может проводить электрический ток и является изолятором. При ненулевой температуре часть электронов за счет теплового движения переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате такого перехода в валентной зоне появляются свободные места — дырки. Дырка эквивалентна частице с положительным зарядом.

В полупроводнике, у которого часть атомов исходного вещества замещена атомами других элементов (так называемый примесный полупроводник), кроме валентной зоны и зоны проводимости появляются дополнительные энергетические уровни, лежащие в пределах запрещенной зоны. Примеси и соответствующие им энергетические уровни делятся на донорные и акцепторные.

Доноры — это примеси, энергетические уровни которых расположены близко к зоне проводимости (донорные уровни). Доноры легко отдают электроны в зону проводимости. Акцепторы — это примеси, энергетические уровни которых расположены ближе к валентной зоне. Акцепторы легко захватывают электроны из валентной зоны, оставляя там дырки. Энергетический спектр примесного полупроводника показан на рис. 1. В зависимости от вида носителя заряда (электрон или дырка) полупроводники бывают двух типов: n-типа (носители заряда — электроны) и р-типа (носители заряда — дырки).

Рис. 2. Инжекционный лазер на р-n-переходе.

Рис. 3. Энергетические зоны в р-n-переходе.

Рис. 4. Лазер на гетеропереходе и его энергетическая схема.

Первый полупроводниковый лазер был выполнен на арсениде галлия (GaAs) Холом в 1962 г. Этот лазер обладал очень большой вероятностью излучательной рекомбинации. Лазер на арсениде галлия (Х=0,84 мкм) относится к так называемым инжекционным лазерам на p-n-переходе. Обычно плавные р-n-переходы создают путем диффузии акцепторных примесей (цинк, кадмий и др.) в материал, легированный донорными примесями (теллур, селен и др.).

Отличительной чертой всех полупроводниковых лазерных материалов, в том числе и арсенида галлия, является очень высокий по сравнению с другими лазерными материалами (кристаллы, стекла, жидкости, газы) коэффициент усиления электромагнитного излучения. Благодаря этому удается выполнить условие генерации для миниатюрных полупроводниковых образцов. Типичный лазер на арсениде галлия показан на рис. 3 (а). Для получения генерации две противоположные поверхности полупроводника полируют и делают плоскопараллельными, а две другие оставляют грубо обработанными, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях. Обычно обе отражающие поверхности не имеют отражающих покрытий, так как показатель преломления полупроводника достаточно большой и отполированных торцов отражается примерно 35% падающего излучения. Активная область представляет собой слой толщиной около 1мкм, т. е. немного больше запирающего слоя (примерно 0,2мкм). В свою очередь поперечные размеры лазерного пучка гораздо больше (около 40мкм) толщины активной области рис. 3 (б). Следовательно, лазерный пучок занимает довольно большое пространство в ри nобластях. Однако поскольку поперечные размеры пучка все же относительно невелики, выходное излучение имеет большую расходимость (несколько градусов).

Кроме лазера на арсениде галлия, применяются и другие типы полупроводниковых лазеров. Крупные успехи в разработке полупроводниковых лазеров связаны с появлением инжекционных лазеров на гетеропереходах. Так называют сложные p-n-структуры, состоящие из полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны.

На этом закончим рассмотрение различных типов лазеров. Мы обсудили лишь некоторые из наиболее широко используемых лазеров.

Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.

3. Принцип действия Рис. 5. Принцип действия полупроводникового лазера.

Рассмотрим рис. 5, на котором показаны валентная зона V, зона проводимости С и ширина запрещенной зоны E_g. При Т= 0 валентная зона полностью заполнена электронами, зона проводимости пуста.

Если электроны каким-то образом переведены в зону проводимости, они перейдут на самый нижний уровень, в валентной зоне электроны тоже перейдут на самые нижние из незанятых уровней, и верхушка этой зоны будет заполнена дырками (рис. б). В результате возникнет инверсия населенностей. Электроны рекомбинируют с дырками, испуская при этом фотон (рекомбинационное излучение). Т. е., если между зоной проводимости и валентной зоной существует инверсия населенностей, то процесс вынужденного рекомбинационного излучения приведет к генерации при наличии подходящего резонатора и выполнении соответствующих пороговых условий.

4. Электрическая схема экспериментального ПЛ Рис. 6. Электрическая схема экспериментального полупроводникового лазера

5. Применение лазеров Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой научный интерес. Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна также плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности (высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществлять избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических реакций, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро — в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и даже моделировать отдельные их звенья.

Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

6. Практическое и промышленное применение лазера При обсуждении практических применений лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение (как правило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов (например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов, применения лазеров в медицине и т. д. Второе направление связывают с так называемыми информативными применениями лазеров — для передачи и обработки информации, для осуществления контроля и измерений.

Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти применения широко распространены или находятся в стадии исследований. Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве различных устройств.

Заключение

Таким образом мы видим что лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях — обработке металлов, медицине, измерении, контроле, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности.

Следует заметить что, высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10 000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.

Сами же полупроводниковые лазеры занимают заметную нишу в науке и приборостроении в целом. Они постоянно модернизируются и на мой взгляд в скором будущем мы увидим что-то новое ранее не известное.

Список использованных источников

1. Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники. Машиностроение 1990.

2. Елисеев П. Г.

Введение

в физику инжекционных лазеров. М: Наука 1983.

3. Справочник по лазерной технике. М: Энергоатомиздат, 1991.

4. Дьяков В. Ф. Тарасов Л.В. Оптическое когерентное излучение. М.: Советское радио, 1974.

5. Федоров Б. Ф. Лазеры. Основы устройства и применения. М.: ДОСААФ СССР, 1988.

6. Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники. Машиностроение 1990.

7. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.