I.3.1 Полупроводниковые лазеры

Для создания полупроводниковых лазеров использует- ся свойство p–n-перехода – при рекомбинации элек- тронов проводимости и дырок освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов или превра- щаться в тепло. Лазер на p–n-переходе представляет собой полу- проводниковый диод, у которого две плоскопараллель- ные поверхности, перпендикулярные p–n-переходу, образуют оптический резонатор; инверсия электрон- но-дырочных пар достигается пропусканием прямого тока через диод.

Наиболее эффективными для полупроводниково- го лазера оказались гетероструктуры (неоднородные структуры), в которых активный p–n-полосок заключен между двумя полупроводниковыми переходами: один (типа p–n) служит для инжекции электронов, а вто- рой (типа p–p) отражает инжектированные электроны,

препятствуя их диффузии из активного полоска. Гете- роструктуры имеют преимущество перед обычной p–n областью: при одинаковом токе накачки достигается большая концентрация электронно-дырочных пар. В полупроводниковом лазере стимулированное излуче- ние распространяется вдоль диэлектрического волно- вода, образованного p–n-полоском.

Первые лазерные диоды были разработаны еще в 1962 году. Однако потребовалось более десяти лет, что- бы поднять температуру их функционирования от тем- пературы жидкого азота до комнатной.

Типичные размеры области излучения диода со- ставляют приблизительно 1 × 100 мкм, а длина лазерно- го резонатора равна ∼250 мкм. Для увеличения выход- ной мощности излучения полупроводникового лазера p–n-переходы реализуют в виде многополосковой мат- рицы, в которой p–n-области соседствуют друг с другом на расстоянии ∼10 мкм. С помощью одного лазерного диодного полоска может быть достигнута выходная мощность ∼10 Вт. При увеличении плотности мощнос- ти появляются проблемы с отводом тепла от полупро- водникового лазера и, кроме того, может разрушиться выходное окно полоска. Несмотря на эти проблемы, с помощью лазерных диодных матриц в лабораторных условиях получают выходную мощность более 1 кВт.

Эффективность полупроводникового лазера может достигать более 50%, типичная эффективность состав- ляет ∼ 30%, то есть при выходной мощности ∼ 3 Вт полу- проводниковый лазер потребляет ∼10 Вт. Энергия по- рядка 7 Вт поглощается в форме тепла, которое нужно рассеять. В противном случае существенные темпера- турные изменения могут стать причиной сдвига длины волны, на которой излучает диод, и потери эффектив- ности.

Чтобы обеспечить оптимальное перекрытие спект- ров излучения накачки и поглощения в лазерном крис- талле, температурный сдвиг длины волны должен быть минимизирован. При коэффициенте сдвига 0,3 нм/°С изменение температуры должно находиться в пределах ±1°С. Такую температурную стабилизацию обычно ре- ализуют с помощью холодильника Пельтье.

Современные лазерные диоды, используемые для накачки, имеют спектральную ширину излучения ∼1 нм, мощность ∼1–10 Вт и ресурс работы ∼104 ч.

Из-за короткого оптического резонатора и малых поперечных размеров активного слоя дифракционная расходимость генерируемого излучения во внешней среде оказывается значительной. В плоскости, перпен- дикулярной p–n-переходу, она измеряется десятками градусов (до 50°). В ортогональной плоскости расходи- мость на порядок меньше (1–5°). Это обусловливает раз- личный профиль пучка в соответствующих плоскостях, и для согласования осесимметричного объема лазерно- го кристалла с асимметричной диаграммой направлен- ности излучения диода необходима довольно сложная оптическая система линз и призм.