Гомоструктурный переход

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.

При взаимодействии электрона с внешним влиянием в полупроводниках, электрон, поглощая энергию, переходит с состояния с низким энергетическим уровнем в состояние с высоким энергетическим уровнем. Рассмотрим p-n-переход, который изображено на рис. 5.4. Если к нему приложить прямая напряжение U_R, то в p-области будет происходить инжекция электронов, а в n-области - дырок (в результате диффузии неосновных носителей зарядов). Эти неосновные носители, встречаясь из основными, будут рекомбинировать, излучая свет с длиной волны, которая отвечает ширине запрещенной зоны .

Рис. 5.4 Строение запрещенной

зоны полупроводника

Поскольку диффузная длина электронов много больше, чем диффузная длина дырок, то световое излучение возникает, в основном, в p-области. Прибор, который использует p-n-переход, который равный ширине запрещенной зоны Eg, называют полупроводниковым лазером с гомоструктурным переходом. Полупроводниковый лазер есть "предельным прибором". Если увеличить ток инжекции (т.е. увеличивать U_R - прямое напряжение), то при превышении некоторого предельного значения I_пор возникает резкое линейное увеличение мощности лазера на выходе. Вблизи I_пор наблюдается качественное изменение процесса: медленный рост мощности излучения переходит прыжком в режим насыщения при генерации излучения.

При I < I_пор излучение лазера представляет собой сумму фотонов со случайными фазами – некогерентное излучение.

В области I > I_пор при переходе в режим генерации происходит приведение в порядок фазы и возникает когерентное излучение.

Полупроводниковый лазер, также как и лазеры других типов, представляет собой резонатор с помещенным в его середину активной средой. Поскольку коэффициент преломления полупроводниковых материалов большой, то плоскости спайности лазерного кристалла (кристаллографические плоскости роста) служат отбивными зеркалами резонатора.

Слабый свет, который возникает в лазере под действием спонтанных переходов, усиливается активной средой при многоразовом отражении от резонаторных зеркал, расположенных на торцах кристалла. В конечном итоге образуется лавина натянуто индуцированных фотонов, что и образует лазерный луч. Лазерная генерация возникает тогда, когда оптическое усиление компенсирует потери энергии в середине резонатора, которые состоят из потерь в активной среде и потерь на отражение. Это отвечает предельному току I_пор инжекции. При дальнейшем увеличении тока инжекции усиления равное предельному усилению и сопровождается резким увеличением мощности оптического излучения лазера.