2.3. Полупроводниковые лазеры
Невозбужденные атомы, находящиеся в кристаллической решетке полупроводника имеют несколько энергетических уровней или зон, образованных электронами с различной энергией (рис. 46).
Рис. 46. Энергетические зоны собственного полупроводника: ВЗ – валентная зона; ЗП – зона проводимости; ЗЗ – запрещенная зона
Зона образованная уровнями валентных электронов невозбужденных атомов называется валентной зоной кристалла. Выше нее располагается запрещенная зона в пределах которой электроны не могут находится, а еще выше размещается разрешенная зона – зона проводимости, электроны которой образуют электрический ток при приложении к полупроводнику разности потенциалов. Электроны, находящиеся в валентной зоне не могут перемещаться под действием электрического поля, т.к. это связано с увеличением энергии электрона, а в валентной зоне все уровни заняты электронами.
Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может происходить при увеличении энергии электронов, например, за счет повышения температуры или поглощения им канта света. Энергетические уровни зоны проводимости начинают заселяться электронами, перешедшими из валентной зоны, а на их месте образуется дырка.
Наряду с процессами образования пар электрон-дырка в полупроводнике имеет место и обратный процесс – рекомбинация электрона и дырки с переходом электрона из зоны проводимости в валентную зону с испусканием при этом кванта энергии.
В чистом полупроводнике число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне.
Если в одном и том же монокристалле одна его часть является полупроводником n-типа, а другая р-типа, то на границе образуется р-n-переход: электроны перемещаются в р-полупроводник, а дырки в n-полупроводник.
Если к кристаллу приложить импульсное напряжение с достаточно крутым передним фронтом, то произойдет лавинообразное перемещение электронов и дырок навстречу друг другу и в области р-n-перехода появится большая концентрация неравновесных электронов и дырок, т.е. в этой области образуется инверсное состояние. Последующая затем рекомбинация электронов и дырок вызывает излучение квантов, частота которых определяется разностью энергетических уровней соответствующих переходов. Через некоторое время взаимодействие электронов и дырок приведет их в равновесное состояние. Приложение следующего импульса напряжения вызывает повторение процесса и т.д. Чем выше приложенное напряжение, тем большее количество носителей инжектируется в области р-n-перехода и тем выше инверсия. При достижении инверсии в р-n-переходах, как и во всех других типах лазеров, оказывается возможным усиление излучения вследствие вынужденных переходов, а при наличии обратной связи и генерация.
Обратная связь осуществляется так же при помощи резонатора Фабри-Перо. Зеркалами резонатора в полупроводниковом квантовом генераторе служат естественные сколотые грани кристалла. Вследствие разницы показателей преломления кристалла и воздуха на гранях отражается 30 % энергии, что достаточно для возникновения генерации.
Полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение осуществляется при инжекции носителей через р-n-переход получили название инжекторных, основным из которых является лазер на р-n-переходе в арсениде галлия. Акцепторными примесями в его кристалле являются цинк, кадмий и др., а донорными примесями – теллур, селен и др. Схема такого лазера предоставлена на рис. 47. Кристалл имеет размеры 0,5 – 1 мм2. Верхняя его часть – полупроводник р-типа, нижняя – n-типа. Толщина р-n-перехода 0,1 мкм, излучающий слой 1-2 мкм.
Рис. 47. Схема инжекторного полупроводникового лазера: 1 – электрод; 2 – омический контакт; 3 – р-область; 4 – n-р-переход; 5 – n-область; 6– теплоотводящая пластина
Передняя и задняя грани, являющиеся зеркалами, получают путем скалывания кристалла относительно определенной кристаллографической оси. Боковые грани скошены, чтобы препятствовать возникновению колебаний в перпендикулярном направлении. Электрическое поле прикладывается в направлении, перпендикулярном к р-n-переходу при помощи специальных контактов, соединенных с массивными теплоотводящими пластинами.
Длина волны излучения 0,8-0,92 мкм (ИК область). Длительность импульса – несколько микросекунд. Мощность такого типа лазеров в непрерывном режиме – несколько десятков мВт, в импульсном до 1 квт. Отличаются высоким КПД – до 60-70 %.
Низкоэнергетическое излучение полупроводниковых лазеров используется не только самостоятельно, но и в сочетании с магнитным полем, а так же в эндоскопической, ультразвуковой, рентгеновской и др. медицинской аппаратуре.
Примером такого лазера является физиотерапевтический лазерный аппарат "Альфа-1м" с длиной волны излучения = 0,8-0,95 мкм, работающий в непрерывном и импульсном режимах, с частотой следования оптических импульсов 50-5000 Гц и длительностью импульсов 70-200 нс. Аппарат построен по двухканальной схеме: канал импульсного излучения на основе импульсного полупроводникового лазера с неизменными параметрами импульса излучения и канал непрерывного излучения на основе полупроводникового светодиода с узкой шириной оптического спектра.