Развитие полупроводниковых лазеров и их применение

     В ОГ-лезере оптическое ограничение происходит с одной стороны, отсюда желаемый результат т. е. повышение эффективности  работы гетеролазера, реализуется частично, а поэтому у ОГ-лазера значение порогового тока выше, чем у лазера с двойной гетероструктурой рис.10,(б). Поскольку удалось уменьшить  значение порогового тока у ОГ-лазера, это дало возможность использовать его работу при комнатной температуре, но только в импульсном режиме накачки. В непрерывном режиме накачки при комнатной температуре работают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГ).

 

     

     

     Рис.10. 

     Толщина активного слоя ДГ-лазера составляет не менее 1 мкм. При этом по всему  слою создается инверсная населенность. Если в ОГ-лазерах толщина активного  слоя соизмерима с длинной диффузии инжектируемого электрона, то в ДГ-лазерах  толщина меньше этой длины. Кроме  того, вДГ-лазерах обеспечивается оптическое ограничение с двух сторон активной зоны. Эти обстоятельства приводят к тому, что ДГ-лазеры являются высокоэффективными приборами и характеризуются  минимальным пороговым током, что  позволяет осуществлять непрерывную  накачку электрическим током  при комнатной температуре. 

     

     Рис.11. 

     Для улучшения выходных характеристик  гетероструктурного лазера в процессе получения гетероструктуры создают  условия, обеспечивающие ограничение  носителей заряда в активной области. Для структуры, изображенной на рис.10,(б), диаграмма энергитических зон приведена  на рис.11. Из-за того, что ширина запрещенной  зоны у полупроводника больше в области  с увеличением концентрацией  атомов Al, возникают смешения в зоне проводимости на p—p+-переходе (dEc) и  в валентной зоне на n—p- иn+—p-переходах (dEv).

     Когда к такой структуре прикладывается прямое напряжение смещения, электроны  инжектируются из n- в p-область. Скачок зоны проводимости на p—p+-границе раздела  на dEc обеспечивает энергетический барьер для инжектируемых электронов, производя  тем самым ограничение их в p-области  и увеличивая вероятность их рекомбинации с дырками. Скачок валентной зоны на n—p-переходе dEc повышает уже существующий потенциальный барьер, препятствующий инжекции дырок в n-область, улучшая  тем самым инжекционную эффективность. Таким образом, у двойной гетероструктуры  имеет место тенденция ограничения  как основных, так и инжектируемых  неосновных носителей в активной зоне. Это обеспечивает хорошие условия  для получения более эффективной  инверсной населенности. Значит ДГ-лазеры обеспечивают более высокие выходные характеристики по сравнению с ОГ-лазерами, и тем более по сравнению с  гомопереходными лазерами. Сравнение  технических характеристик показывает, что если у гомостктурного лазера пороговая плотность тока равна 104 А/см2 при квантовой эффективности 10%, то у ОГ-лазеров пороговая плотность  тока равна 103 А/см2 при квантовой  эффективности 40%. Эти лазеры работают только в импульсном режиме. У ДГ-лазеров  пороговая плотность тока равна 700— 800 А/см2 , а квантовой эффективность  составляет 55%. Эти лазеры работают в непрерывном режиме.

     Однако  у ДГ-лазеров большая угловая  расходимость луча (20— 40°) в плоскости, перпендикулярной к плоскости перехода, из-за дифракции света в тонком активном слое, в то время как  у гомоструктурных и ОГ-лазеров  угловая расходимость составляет 15— 20°. У всех рассмотренных типов  лазеров угловая расходимость луча в плоскости перехода составляет не более 10°. 

 

     

     4. Основные свойства лазерного луча 

     Лазеры  являются уникальными источниками  света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники  света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся  в различных частях оптического  квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания  в различных частях лазера происходят согласованно.

     Чтобы разобрать понятие когерентности  в деталях, нужно вспомнить понятие  интерференции. Интерференция - это  взаимодействие волн, при котором  происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс  этого взаимодействия, то можно увидеть  так называемую интерференционную  картину (она выглядит как чередование  темных и светлых участков).

     Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых  волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут  гасить друг друга. В этом случае интерференционная  картина будет чрезвычайно размыта  или же не будет видна вовсе. Процесс  взаимного гашения схематично представлен  на рис.12(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины  лежит в использовании двух зависимых  и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу  длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются  друг на друга и происходит интерференция  волн рис.12(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

     Когерентность волн, и источников этих волн можно  определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна 

     Е = Е1 + Е2 

     Так как в явлениях интерференции  и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна 

     I = E2.

     

     Рис 12. Взаимодействие волн: а- некогерентные волны (взаимное гашение); б- когерентные волны (сложение амплитуд волн) 

     Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем 

     I = I1 + I2 + I12, 

     где I1 - интенсивность света первого  пучка,

     I2 - интенсивность света второго  пучка.

     Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным  членом. Это слагаемое равно 

      

 

     

     Если  взять независимые источники  света, например, две электрические  лампочки, то повседневный опыт показывает, что 

     I = I1 + I2, 

     то  есть результирующая интенсивность  равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный  член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между  собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся  пучки зависимы, то интерференционный  член не обращается в ноль, а потому I ¹ I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

     С понятием когерентности также связано  понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную  картину, называются пространственно  когерентными.

     Другой  замечательной чертой лазеров, тесно  связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в  спектре, в пространстве, по направлению  распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около  сотни микросекунд. Концентрация в  спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень  узка. Это монохроматичность.

     Лазеры  также способны создавать пучки  света с очень малым углом  расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что  на Луне такой пучок, посланный с  Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

 

     

     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.

 

     

     5.1 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. 

     5.2 Лазеры в вычислительной технике 

     Принципиально достигнутые малые времена переключения делают возможным применение лазеров  и комбинаций с лазерами, включая  интеграцию в микроэлектронных переключательных схемах в качестве логических элементов, для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных машинах.

     Преимущества  таких элементов: малые времена  переключения и считывания, очень  маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических систем.

     Достижимыми оказываются времена переключения примерно 10-10 с (соответственно этому  быстрые времена вычисления); емкости  запоминающего устройства 107 бит/см2, и скорости считывания 109 бит/с. 

     5.3 Лазерный принтер 

     Для печати в вычислительной технике  и в других случаях часто применяется  лазерное излучение. Преимущество их в более высокой скорости печати по сравнению с обычными способами печатания.

     Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет преобразуется в  ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим образом  обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими сигналами (для  определения высоты шрифта, состава  краски и т.д.) и служат для модуляции  лазерного излучения. С помощью  записывающей головки экспонируется  расположенная на валике пленка. При  этом лазерное излучение разделяется  на ряд равных по интенсивности частичных  лучей (шесть или больше), которые  посредством модуляции при данных условиях подключаются или отключаются.

     Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт), инжекционный лазер. 

     5.4 Оптическая цифровая память 

     Для становящейся все более тесной связи  между обработкой данных, текста и  изображения необходимо применять  новые методы записи информации, к  которым предъявляются следующие  требования: