6.7.3. Порог генерации и кпд инжекционных лазеров

Предположим для простоты, что электромагнитное излучение локализовано в активной области кристалла (в области инверсии). Реально это условие выполняется в инжекционных лазерах с двойной гетероструктурой. Пусть L-длина кристалла в направлении распространения света, w-его ширина, а d -толщина активной области с инверсной заселенностью. Объем активной области равен Lwd. Выражение (6.38) для коэффициента усиления в этом случае примет вид:

(6.38)

где n₂ и n₁ числа электронов в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно. Пусть температура низка настолько, что n=0 (это условие выполняется при E >> kT. Для GaAs оно выполняется при комнатной температуре). В этом случае общее число электронов, прошедших через p-n-переход, равно числу спонтанных рекомбинаций за то же время.

(6.39)

где J - ток через переход, η_i -внутренняя квантовая эффективность (для инжектированных электронов, рекомбинирующих излучательно). Выразим разность (n₂-n₁) в формуле (6.38) через плотность тока i, протекающего через p - n-переход: i=J/Lw.

(6.40)

Видно, что коэффициент усиления пропорционален плотности тока p - n -перехода. Генерация возникает при некотором пороговом значении плотности тока i_пор , при котором усиление будет компенсировать потери. Потери энергии, при прохождении светом в кристалле расстояния L , равны e^-aLR , где a -коэффициент поглощения материала, R -коэффициент отражения от грани кристалла, образующей резонатор. В соответствии со сказанным выше, условие возникновения генерации можно записать в следующем виде:

(6.41)

здесь γ_пор -пороговое значение коэффициента усиления. Из (6.40) и (6.41) находим пороговое значение плотности тока.

(6.42)

Для современных полупроводниковых лазеров пороговая плотность тока составляет величину порядка 100 А/см². Учитывая, что площадь перехода может быть меньше 1 мм²_, пороговый ток для реальных приборов может составлять величину меньше 1 А.

Мощность излучения инжекционного лазера определяется следующим соотношением:

(6.43)

где (J - J_пор) -разность тока, протекающего через переход и порогового тока. Часть этой мощности, пропорциональной a рассеивается внутри лазерного резонатора. Другая часть пропорциональная , излучается через концевые отражатели. Таким образом, выходная мощность лазера может быть выражена следующим соотношением:

(6.44)

Пусть V -электрическое напряжение, приложенное к лазерному диоду, VJ -электрическая мощность накачки лазера. КПД лазера по определению равен отношению:

(6.45)

Отсюда:

(6.46)

Обычно потери внутри кристалла малы, т.е. a << -1/L ln R. eV ≈ hv. (Внешнее поле почти полностью компенсирует внутренний контактный барьер). Отсюда при высоких уровнях возбуждения (J > J_пор) имеем: КПД ≈η_i. Для полупроводников, используемых для изготовления лазеров, η_i имеет величину, близкую к единице. Поэтому КПД инжекционных лазеров может достигать десятков процентов и является самым высоким среди всех типов лазеров. Низкая энергия возбуждения, малые размеры, возможность использования в сочетании с полупроводниковой электроникой и оптическими волокнами – все это делает инжекционный лазер исключительно важным прибором оптоэлектроники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Shaposhnik V.A., Kessore K. An early history of electrodialysis with permse­lective membranes // J. Membr. Sci. – 1997. – v. 136. – p. 35–39.

2. Заболоцкий В.И., Березина Н.П, Никоненко В.В. и др. Развитие электро­диализа в России // РЖ Мембраны. – М., 1999, с.4-27.

3. Мауеr К.Н., Strauss W // J. Неlv. chim. Acta. - 1940, v. 23, р. 795-800.

4. Неуmаnn Е., O'Donnel I.J. // J. Colloid Sci. - 1949, v. 4, р. 405-416.

5. Салдадзе К.М., Пашков А.Б., Титов В.С. Ионообменные высокомолеку­лярные соединения. – М.: ГХИ. – 356с.

6. Пилат Б.В. Основы электродиализа. – М.: Аваллон, 2004. – 456с.

7. Деминерализация методом электродиализа // Под ред. Дж. Вильсона. М.: Госатомиздат. - 1963. - 351с.

8. Накагаки М. Физическая химия мембран. - М.: Мир, 1991. - 218с.

9. Бесман В.Л., Виттих М.В., Шостак Ф.Т. и др. Опреснение солоноватых вод электродиализом в аппаратах лабиринтного типа // Опреснение соленых вод. – М., 1966.

10. Шишлянников Л.А., Шостак Ф.Т., Ергожин Е.Е. Итоги эксплуатации опытно-промышленной опреснительной станции Моинты // Вест. АН КазССР. – 1972. – № 2. – с. 44–51.

11. Гнусин Н.П., Гребенюк В.Д. Установка для получения воды высокой чис­тоты с автоматической регенерацией ионитов // Завод. лаб. – 1966. – т. 32, № 10. – с. 1290.

12. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Электродиализ разбавленных раство­ров электролитов: некоторые теоретические и прикладные аспекты // Элек­трохимия. – 1996. – т. 32, № 2. – c. 246–254.

13. Zabolotsky V.I., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Istoshin A.G. Electrodi­alysis technology for deep demineralization of surface and ground water // Desali­nation. – 1996. – v. 108. – p. 179–181.

14. Шапошник В.А., Решетникова А.К., Золотарева Р.И., Исаев Н.И. Деминера­лизация воды электродиализом с применением межмембранной засыпки сек­ций ионитами // Журн.прикл.химии. – 1973. – т. 46, № 12. – с. 2659–2663.

15. Wagnick Consulting 1990, IDA Worldwide Desalting Plants

16. Inventory. – Report № 11, 1990.

17. Wagnick Consulting GmbH, 2000. - IDA Worldwide Desalting Plants Inventoгу. – Report № 16, December 31, 1999.

18. Abu Arabi М. Desalination Growth in the MENA Region. - Watermark. Тhe News-letter of the Midd1e East Desalination Research Center, Issue 20, June 2003, р. 9, 10.

19. Deuschle А. Diffusion dialis - An Economical Technology Recovery of Acids from Pickling Processes // Проспект компании «Osmota».

20. В.А. Шапошник Мембранные методы разделения смесей веществ. Соросов­ский Образовательный Журнал. 1999. № 9. с 27-32.

21. Основы мембранной технологии, материалы ООО «Осмос».

22. С.-Т. Хванг, К. Каммермейер Мембранные процессы разделения. М., Химия, 1981. – 464 с.

23. J.J. Krol Monopolar and bipolar ion exchange membranes. Mass Transport Limi­tations. Enschede, The Netherlands, 1997.

24. F. G. Wilhelm Bipolar Membrane Electrodialysis. Ph.D. thesis University of Twente, Twente University Press. 2001.

25. Chloralkali_Electrolysis, MSN Encarta premium subscriber, Microsoft. 2007.

26. Н.П. Березина Синтетические ионообменные мембраны. Соросовский обра­зовательный журнал, том 6 , № 9 , 2000, с. 37-42

27. В.И. Федоренко Производство ультрачистой воды методом непрерывной электродеионизации. Химико-фармацевтический журнал, том 37, №3, 2003,с. 49-52.

28. Holding B.V. Lenntech Water treatment & air purification. Материалы фирмы «Lenntech».

29. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004.

- 301 с.

30. Деионизация воды. Электродиализ IONPURE. Рекламный проспект компа­нии «НПЦ ПромВодОчистка».

31. OMEXELL spiral wound electrodeionization, Published in U.S.A., January 2007. Рекламный проспект.

32. Лодыгин А.Д., Золоторева М.С., Пономарев В.А., Барсуков В.А., Поверин А.П. Актуальность применения электромембранной обработки молочной сы­воротки в производстве бифидогенных концентратов. Материалы Х регио­нальной научно-технической конференции «Вузовская наука – Северо-Кав­казскому региону». СевКавГТУ, 2006.

33. Максин В.И., Стандартчук О.З. Некоторые аспекты очистки воды от радио­активных элементов. – Химия и технология воды, 1993, т. 15, № 2, с. 129-145.

34. Заболоцкий В.И., Шурденко А.А., Гнусин Н.П. Транспортные характери­стики ионообменных мембран при электродиализном концентрировании электролитов // Электрохимия. – 1988. т.24,№ 6, с. 744-750.

35. В.И. Федоренко Производство ультрачистой воды методом непрерывной электродеионизации // Химико-фармацевтический журнал, Том 37 №3, 2003,с. 49-52.

36. D. Beattie Using RO/CEDI to Meet USP 24 on Chloraminated Feed Water Ul­trapure Water Expo 2001 Technical Program, Philadelphia, PA, April 2-4, 2001.

37. Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учеб. для вузов / Бортник И.М., Верещагин И.П., Вершинин Ю.Н. и др.; Под ред. Верещагина И.П., Ларионова В.П. —М.: Энергоатомиздат, 1993.  543с.

38. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. —М.: Энергоатомиздат, 1985.

39. Технология и оборудование для нанесения полимерных покрытий в электрическом поле / Верещагин И.П., Котлярский Л.Б., Морозов В.С. и др. —М.: Энергоатомиздат, 1990.

40. Дымовые электрфильтры / Левитов В.И., Ремизов И.К., Верещагин И.П. и др.: Под общ. ред. Левитова В.И. —М.: Энергия, 1980.

41. Основы электрогазодинамики дисперсных систем / Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабикян Г.З. и др. —М.: Энергия, 1974.

42. Физические основы электрической сепарации / Ангелов А.И., Верещагин И.П., Ершов В.С. и др.; Под ред. Ревнивцева В.И. —М.: Недра,1983.

43. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Харьков, Вища школа, 1977.

44. Электротехнический справочник, раздел 54, Т.3, кн.2 —М.: Энергоатомиздат, 1988.

45. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электроискровая обработка токопроводящих материалов. Из-во АН СССР, —М.: 1958.

46. Лившиц П.Л., Отто М.Ш. Импульсная электротехника. —М.: Энергоатомиздат, 1983.

47. Голубев В.С., Лебедев Ф.В. Физические основы технологических ла-

зеров. – М.: Высшая школа, 1987.

48. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. – М.: Машиностроение, 1989.

49. Вейко В.П., Метев С.М. Лазерные технологии в микроэлектронике. –

София: Изд. Болгарской АН, 1991.

50. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. – Л.: Машиностроение, 1986.

51. Турыгин И.А. Прикладная оптика. – М.: Машиностроение, 1966.

52. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие из-

лучения большой мощности на металлы. – М.: Наука, 1970.

53. Рэди Дж.Ф. Действие лазерного излучения. – М.: Мир, 1974.

54. Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка. – Л.: Лениздат, 1973.

55. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная техника и технология. Ла-

зерная сварка металлов, т. 5. – М.: Высшая школа, 1988.

56. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Лазерная техника и технология. Осно-

вы лазерного термоупрочнения сплавов, т. 6. – М.: Высшая школа,

1988.

57. Лазеры в технологии. Под ред. М.Ф. Стельмаха. – М.: Энергия, 1975.

58. Таблицы физических величин. Справочник. Под. ред. акад. И.К. Ки-

коина. – М.: Атомиздат, 1976.

59. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров

в машиностроении иприборостроении. – Л.: Машиностроение, 1978.

60. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материа-

лов. – М.: Машиностроение, 1975.

61. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. – М.: Наука, 1988.

62. Кошкин Н.И. Элементарная физика: справочник. – М.: Наука, 1991.

63. Шахно Е.А. Математические методы описания лазерных технологий.

Учебное пособие. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002.

64. Лазерные технологии в сельском хозяйстве. Москва: Техносфера, 2008.

65. Вейко В.П. Лазерная микрообработка. Опорный конспект лекций.

СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.

66. Яковлев Е.Б. Лазерное оборудования, автоматизация и контроль тех-

нологических процессов. Конспект лекций. Часть I. Учебное пособие.

– СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002.

О Г Л А В Л Е Н И Е

Предисловие…………………………………………………………………….3