Развитие полупроводниковых лазеров и их применение

                                                         Содержание

Введение

1. Полупроводниковые лазеры

2. Создание инверсной населенности в полупроводниках

3. Лазеры на гетеропереходах

4. Основные свойства лазерного луча

5. Применение лазеров

1. Практическое и промышленное применение лазера
2. Лазеры в вычислительной технике
3. Лазерный принтер
4. Оптическая цифровая память

Заключение

Список использованных источников 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                             

                                                            

                                                                   Введение

     В данном реферате 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 “LightAmplificationbystimulatedemissionofradiation” (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.

     Главная причина стремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительных свойствах этих приборов.

     Уникальные  свойства лазера:

     монохроматичность (строгая одноцветность),

     высокая когерентность (согласованность колебаний),

     острая  направленность светового излучения.

     Существует  несколько видов лазеров:

     полупроводниковые

     твердотельные

     газовые

     рубиновые 

                                                                   1. Полупроводниковые лазеры

     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 не нулевой 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. 1. Энергетический спектр и излучательные переходы в полупроводнике: Eg— ширина запрещенной зоны; I— зона проводимости: II — донорный уровень; III-акцепторный уровень; IV — валентная зона 

     Для того чтобы система могла излучать, ее необходимо привести в неравновесное  состояние. А чтобы привести полупроводник  в такое состояние, используют следующие  способы: 1) облучение полупроводника внешним излучением достаточно высокой  частоты (oптический метод возбуждения); 2) облучение полупроводника электронным  пучком; 3) использование внешнего электрического поля. Переход к равновесному состоянию  происходит благодаря рекомбинации. Энергия, освобождающаяся при рекомбинации, реализуется в виде одного из трех основных процессов: рождения фотона (излучательная, или фотонная рекомбинация), нагревания решетки, т. е. образования фононов (фононная рекомбинация) и увеличения кинетической энергии свободных носителей  (безизлучательная рекомбинация).

     Нас, естественно, будет интересовать только излучательная рекомбинация, которая  в полупроводнике может происходить  в результате межзонных переходов (стрелка 1 на рис.1.) и переходов из зоны на примесный уровень (стрелка 2) или через оба примесных уровня (стрелка 3). 

     

     Рис. 2. Принцип действия полупроводникового лазера 

     При определении условия образования инверсии заселенностей в полупроводнике для простоты рассмотрим идеальный полупроводник при температуре T=0 К. Заштрихованная область на рис.2,(а) соответствует полностью заполненным энергетическим состояниям. Предположим, что электроны каким-либо образом попадают из валентной зоны в зону проводимости. В этой зоне в течение очень небольшого интервала времени (около 10-13 с) электроны релаксируют на ее самый нижний уровень. Вблизи максимума валентной зоны электроны также переходят на самый нижний из незанятых уровней, заполняя таким образом максимум валентной зоны дырками. Это означает, что между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия заселенностей рис.2, (б). Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V (т.е. рекомбинировать с дыркой), то, поместив такой полупроводник в соответствующий резонатор, можно получить генерацию. Значит, наиболее подходящей активной средой для полупроводникового лазера будут вещества, у которых вероятность перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотона достаточно велика.

     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.). 

     

     Рис.3. Схема устройства полупроводникового лазера (а) и распределение интенсивности излучения лазера в поперечном сечении (б) 

     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 р- и n- областях. 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. В действительности же их число значительно  больше. Для того чтобы проиллюстрировать  это, на рис.4 показаны диапазоны длин волн, в которых получена генерация  на лазерах различного типа. На этом рисунке указаны также области, где, имеется потенциальная возможность  получения генерации. Следует заметить, что в общем случае указанные  области не могут быть перекрыты  непрерывным образом, исключая лазеры на красителях. Отметим также, что  на основе лазеров, генерирующих на некоторой  частоте, можно создать источники  когерентного излучения и на других частотах, используя нелинейные оптические эффекты.

 

     

     

     Рис. 4. Диаграммы длин волн генерации, перекрываемые действующими лазерами: I — возможная область генерации на вращательных переходах; II — возможная область генерации наколебательно-вращательных переходах; III—возможная область генерации на электронных переходах; IV — полупроводниковые лазеры; V— химические лазеры; VI — лазеры на красителях; VII — газовые лазеры; VIII — твердотельные лазеры 

     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. 

 

     

     2. Создание инверсной населенности в полупроводниках 

     Рассмотрим  собственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентная  зона полупроводника полностью заполнена  электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник  падает поток квантов электромагнитного  излучения, энергия которых превышает  ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования  электронно-дырочных пар протекает  процесс их рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитного  излучения. Согласно правилу Стокса - энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона (валентная зона – зона проводимости) равна вероятности излучательного перехода (зона проводимости - валентная зона).

     Предположим, что в результате какого-то внешнего воздействия полупроводник выведен  из состояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременно высокие концентрации электронов в  зоне проводимости и дырок в валентной  зоне. Электроны переходят в состояние  с некоторой энергией Fn вблизи потолка  валентной зоны.