Классификация лазеров
Лазер — это устройство, которое преобразует энергию накачки (световая, тепловая, электрическая и т.п.) в энергию монохроматического, когерентного, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Основой работы лазеров является квантово-механическое явление индуцированного (вынужденного) излучения, которое может быть непрерывным с постоянной мощностью или импульсным, которое может достигать больших пиковых мощностей. В некоторых случаях рабочий элемент лазера может быть использован как оптический усилитель для излучения от другого источника. Свойства лазеров сделали возможным их использование в самых разных областях техники и в быту — от чтения штрих-кодов и компакт дисков до исследований в области управляемого термоядерного синтеза. Основными элементами лазера являются рабочая среда (активная), оптический резонатор и система накачки. Существуют следующие основные виды лазеров:
- Твердотельные лазеры на люминесцирующих твердых телах.
- Полупроводниковые лазеры.
- Лазеры на красителях.
- Газовые лазеры.
- Лазеры на свободных электронах.
- Каскадные квантовые лазеры.
- Волоконные лазеры.
Лазеры на гетеропереходах
Гетеропереход — это область соприкосновения двух полупроводников, имеющих разные значения ширины запрещенной зоны, объединенных в одном кристалле.
Теория гетероструктур была разработана в 1963 году советскими учеными Кремером и Алферовым. Гетеропереход может быть изотипным, если образовался в результате контакта полупроводников с разными значениями ширины запрещенных зон, но при этом одинакового типа электропроводности (дырочный-р или электронный-n). Когда у полупроводников разные типы легирования, гетеропереход называется анизотипным
Принцип работы лазера на гетеропереходах (инжекционного лазера) основан на взаимодействии электромагнитного излучения с полупроводником. В полупроводниках взаимодействия между электронами может осуществляться одним из трех способов: вынужденное излучение фотонов, поглощением фотонов или спонтанным излучением фотонов. В инжекционном лазере во взаимодействии принимает участие полупроводниковый материал, который находится вблизи p-n перехода, находящегося под воздействием внешнего напряжения прямого смещения. В данном виде лазеров должен содержаться минимум один гетеропереход.
Для лазеров на гетеропереходах большое значение имеет состояние и качество области контакта полупроводников, которые образуют гетеропереход. Из требования, согласно которому до минимума должны быть сведены механические напряжения в гетеропереходе, которые возникают в результате несоответствия периодов решеток полупроводников с разными величинами запрещенной зоны, появляется необходимость подбора полупроводников с близкими к друг другу постоянными решетками.
Инжекционные лазеры состоят из резонатора и активной среды. Для его возбуждения и поддержания в нем незатухающих колебаний должны выполняться два условия:
- Необходимо создать инверсную населенность активной среды и затем получить оптическое усиление излучения. Инверсная населенность активной среды представляет собой состояние, при котором скорость индуцированного излучения больше, чем скорость поглощения атомов активной среды фотонов. При этом интенсивность потока фотонов увеличивается в процессе их распространения в активной среде, таким образом реализуется оптическое усиление пучка фотонов. Инверсная населенность в инжекционном лазере создается посредством накачки его активной среды электрическим током. Для поддержания инверсной населенности нужно затрачивать энергию накачки, которая поступает от источника электропитания. Высвобождение данной энергии происходит из-за индуцированного излучения лазера.
- Необходимо создать положительную обратную оптическую связь, для того чтобы превратить усилитель в генератор. Реализовать это можно при помощи двух торцевых поверхностей лазера — параллельные зеркала, которые образуют резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал будет отражать индуцированное излучение в среду усиления (коэффициент отражения почти достигнет 100%). Второе зеркало, полупрозрачное, образует выходное оптическое усиление инжекционного лазера. Данное зеркало обладает линейчатой спектральной характеристикой, что существенно затрудняет ввод таких лазеров в одномодовое оптическое волокно. Инжекционные лазеры, резонаторы которых выполнены из зеркал и с резонатором Фабри-Перо имеют большую поверхность излучения, что является причиной уменьшения коэффициента связи с одномодовым оптическим волокном. Данное явление может быть устранено при помощи «полосковой геометрии», которая может быть выполнена различными способами.
