Полупроводниковые лазеры

В полупроводниковых лазерах используются оптические переходы с участием свободных носителей тока в кристаллах, т.е. с участием состояний в электронных зонах. Иными словами, в лазерах этого типа возбуждаются и излучают атомы, которые составляют кристаллическую решетку. Высокая концентрация активных центров в полупроводниках, используемых для лазеров, предполагает высокую вероятность излучательных переходов. Например, для получения 10-кратного оптического усиления в рубине длина кристалла должна быть не менее 10 см, в полупроводнике же достаточно 10-2 см. Размеры полупроводниковых лазеров при столь высоком усилении ограничены и не превышают долей миллиметра. По методу накачки полупроводниковые лазеры подразделяются на инжекционные, с оптической накачкой, с накачкой пучком быстрых электронов и с накачкой пробоем в электрическом поле. В связи с высоким коэффициентом отражения на границе полупроводник-воздух (около 30%) в полупроводниковых лазерах обычно используются плоские резонаторы Фабри-Перо, образованные параллельными гранями (сколами) кристалла. Неизлучающие грани подвергают специальному травлению, добиваясь их шероховатости.

Первые инжекционные лазеры были созданы на основе арсенида галлия GaAs, КПД которых составляет до 10% при Т=300 К, а длина волны излучения 0,84-0,92 мкм.

Следующим шагом явилось создание лазерных диодов на двусторонних гетероструктурах, состоящих из слоев Al_xGa_1-xAs n -типа, GaAs p -типа и Al_xGa_1-xAs p -типа. Эти лазеры обладают оптическим волноводом, который удерживает излучение в активном слое. Преимущество таких диодов состоит в возможности независимо оптимизировать электронную и оптическую структуры лазера. Максимальная мощность указанных лазеров составляет единицы ватт.

Наибольшие импульсные мощности (1-5 МВт) получены в полупроводниковых лазерах с накачкой электронным пучком, так как толщина возбужденной области более чем на порядок превосходит толщину генерирующей области в инжекционных лазерах. С помощью электронного возбуждения удалось получить генерацию в видимой области спектра на полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны (CdTe, ZnS и т.п.). Конструктивно такие лазеры выполняются в виде электровакуумного прибора с окнами для выхода лазерного излучения. Они работают в импульсном режиме и обычно требуют криогенного охлаждения. Рабочее напряжение достигает десятков и сотен киловольт. Все это ограничивает их применение, в том числе и в ЛК.