Гелий-неоновый атомный лазер

Активной средой гелий-неонового атомного лазера является смесь двух газов — гелия (Не) и неона (Ne), а лазерными уровнями — энергетические уровни возбуж­денных атомов неона. Для создания инверсии населенностей используют элект­рическую накачку путем создания тлеющего разряда в газоразрядной трубке. Схе­ма лазера с возбуждением постоянным током показана на рис. 11.6. Диаграмма энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 11.7. Основные состоя­ния атомов обозначены римской цифрой I.

В соответствии с распределением Больцмана при (оптический диапазон) уровни возбуждения атомов гелия и неона свободны. При разряде вследствие не­упругих соударений со свободными электронами происходит возбуждение ато­мов гелия, которые могут переходить на метастабильные уровни II и III. Энергия возбужденных атомов гелия передается далее атомам неона. Энергетические уров­ни гелия II и III очень близки к уровням 2s и 3s неона. Поэтому при неупругих соударениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона про­исходит эффективная передача избыточной энергии атомов гелия атомам неона. Атомы неона переходят в возбужденное состояние 2s или 3s, а атомы гелия — в основное состояние I.

Кроме того, атомы неона переходят на уровни 2s или 3s вследствие соударений с быстрыми электронами. Так образуются два «канала», по которым заселяются верхние уровни атомов неона, в то время как нижние уровни атомов неона засе­ляются только при соударении невозбужденных атомов с электронами. Подби­рая соотношение концентраций атомов гелия и неона и значение тока разряда, можно добиться преобладания скорости заселения верхних уровней неона над скоростью заселения нижних уровней, то есть добиться инверсии населенностей уровней.

Атомы гелия являются посредниками при передаче энергии от быстрых электро­нов к атомам неона. Поэтому гелий можно назвать вспомогательным, а неон — основным, или рабочим, газом. Обычно диапазон отношения концентрации гелия и неона составляет от 5 до 15. Эффективность передачи энергии оказывается вы­сокой также потому, что время жизни гелия на уровнях II и III продолжительное (10^-3с). Эти уровни являются метастабильными: для них запрещены переходы в основное состояние.

Рабочий переход соответствует длине волны излучения 3,39 мкм. Это наи­более эффективный переход, усиление на нем достигает 20 дБ/м. Вынужденное излучение осуществляется на переходе с длиной волны 1,1525 мкм, а на — с длиной волны 0,6328 мкм. Так как инверсия для всех трех переходов достигается примерно в одинаковых условиях разряда, то для выделения излуче­ния одной длины волны нужно применять специальные меры, например вводить в резонатор селективный поглотитель.

Частицы уровня 2р возвращаются на основной уровень в два этапа. Сначала происходит спонтанный переход , а затем с метастабильного уровня 1s частицы удаляются из-за диффузии на стенки газоразрядной трубки, которым они отдают избыток своей энергии. Чтобы облегчить диффузию, надо уменьшить диаметр газоразрядной трубки. Обычно диаметр трубки не превышает 10 мм.

Выходная мощность лазера зависит от тока разряда, общего давления в газовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и неона, диаметра разрядной трубки. При малом токе (но больше пускового) мощность генерации возрастает с ростом тока, так как увеличивается количество электронов в плазме газового раз­ряда. При этом убыстряются процессы заселения верхних энергетических уров­ней гелия и неона, что приводит к увеличению разности населенностей рабочих уровней. Однако после достижения определенной концентрации электронов в плазме существенную роль начинает играть процесс ступенчатого возбуждения нижних рабочих уровней неона 2р и Зр с метастабильных уровней 1s. Это при­водит к снижению инверсии населенности рабочих уровней и, следовательно, к уменьшению мощности генерации.

С ростом общего давления увеличиваются концентрации атомов гелия и неона, растут населенность возбужденных уровней и выходная мощность. Однако при высоком давлении, когда концентрация частиц в разряде становится большой, уменьшается длина свободного пробега электрона и соответственно уменьшается энергия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле, что при­водит к уменьшению энергии, передаваемой атомам гелия, и к снижению мощно­сти излучения. Оптимальное давление составляет примерно 100 Па.

Ионный лазер

В ионных лазерах применяют ионы инертных газов, а также ионизированные пары различных химических элементов. В этих лазерах используются энергети­ческие переходы между уровнями возбужденных ионов. Для получения большой мощности необходима высокая концентрация ионов в разряде. Поэтому приме­няется дуговой разряд с высокой плотностью тока.

Наиболее распространенным из ионных лазеров является аргоновый лазер, рабо­тающий на квантовых переходах между возбужденными состояниями иона в видимой части спектра ( = 0,45-0,51 мкм). Для повышения плотности разряда в ионных лазерах применяют продольное магнитное поле, которое удерживает за­ряженные частицы вблизи оси трубки. Мощность излучения ионных лазеров выше, чем лазеров, работающих на атомных переходах. В непрерывном режиме выходная мощность составляет десятки ватт, а в импульсном — десятки киловатт. Однако КПД ионных лазеров очень низкий (0,01-0,3 %).

Молекулярный лазер

Недостатком атомных и ионных лазеров является их низкий КПД. Это объясня­ется, в частности, тем, что для перевода одного атома рабочего газа на верхний энергетический уровень необходима энергия около 20 эВ, а в получаемом при ге­нерации излучении энергия кванта составляет около 2 эВ. То есть эффективность преобразования энергии электрона, возбудившего атом рабочего или буферного газа, составляет всего 0,1. Кроме того, лишь небольшая доля электронов, участву­ющих в газовом разряде, расходует свою энергию на создание инверсии. В моле­кулярных лазерах соотношение между энергией излученного кванта и энергией возбуждения существенно выше (порядка 0,5).

Наиболее распространенным молекулярным лазером является лазер на смеси уг­лекислого газа СО₂ с азотом N₂, в которую добавлен гелий. Упрощенная схема энергетических уровней углекислого газа и азота приведена на рис. 11.8. В газо­разрядной плазме при неупругих столкновениях с электронами возбуждаются молекулы СО₂, при этом происходит заселение уровней и 4. Кроме того, проис­ходит передача энергии от молекул азота к молекулам СО₂. Это.также приводит к возбуждению уровня 4. Эффективность возбуждения велика, так как уровень расположен по энергии близко к уровню 4. Эти уровни имеют продолжительное время жизни. Излучательными переходами являются переходы и , создающие вынужденное излучение на длинах волн 10,6 и 9,6 мкм. Наиболее ин­тенсивным является переход с длиной волны 10,6 мкм, при этом генерация на дру­гих переходах специально подавляется.

Газодинамический лазер

В 1966 году В. К. Конюховым и А. М. Прохоровым был предложен, а в 1970 году создан инфракрасный лазер на углекислом газе в смеси с азотом с охлаждением в сверхзвуковом сопле, получивший название газодинамического лазера. Инвер­сия населенностей уровней в газодинамическом лазере происходит при быстром (сверхзвуковом) расширении предварительно нагретой газовой смеси.

Схема газодинамического лазера приведена на рис. 11.9. При сжигании топли­ва в камере сгорания получается углекислый газ, который здесь же смешивается в определенной пропорции с азотом и водяным паром, образуя высокотемпе­ратурную плазму. Газовая смесь под давлением 1700 Па со сверхзвуковой ско­ростью проходит через сопло и за ним расширяется и охлаждается. Вследствие относительно большого времени жизни верхнего уровня молекулы СО₂ и ма­лого времени прохождения газа через сопло населенность возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется за время движения молекул от камеры сгорания до оптического резонатора. Значительно меньшее время жизни час­тицы на нижнем уровне приводит к тому, что населенность нижнего уровня оказывается много меньше населенности верхнего уровня уже на расстоянии нескольких сантиметров от сопла. Таким способом создается инверсия насе­ленностей уровней, и газ поступает в резонатор, состоящий из двух зеркал, па­раллельных потоку.

Полупроводниковые лазеры

Для того чтобы заставить полупроводник усиливать падающий на него свет, не­обходимо, как и в любом другом лазере, создать в нем инверсию населенностей, с тем чтобы концентрация электронов в области, примыкающей ко дну зоны про­водимости, была выше концентрации электронов в области, примыкающей к по­толку валентной зоны. На рис. 11.10 показана энергетическая диаграмма идеаль­ного состояния полупроводника, когда узкая полоса разрешенных энергетических уровней вблизи дна зоны проводимости заполнена электронами, а узкая полоса энергетических уровней у потолка валентной зоны не содержит электронов, то есть заполнена дырками. Если в такой идеальный полупроводник попадают фо­тоны с энергией hv, большей ширины запрещенной зоны , но меньшей , то возникают вынужденные переходы электронов из зоны проводимости в вален­тную зону с испусканием новых фотонов, точно совпадающих по своим свойствам с первичными фотонами. Если полупроводник поместить между отражающими зеркалами, заставляющими родившиеся фотоны снова и снова проходить через кристалл, создавая каждый раз новые лавины фотонов, то можно осуществить генерацию монохроматического света.

В полупроводниках возможны следующие методы получения инверсии населен­ностей: инжекция носителей заряда через р-n-переход (инжекционные лазеры), электронная накачка и оптическая накачка. Наибольшее распространение полу­чил метод инжекции носителей заряда.

Инжекционный лазер

В инжекционных лазерах используется р-n-переход, образованный вырожден­ными полупроводниками с разным типом электропроводности. Если к такому p-n-лереходу приложить прямое напряжение, то уровни Ферми E_Fn и Е_Fp разой­дутся на величину приложенного напряжения (рис. 11.11).При этом в некоторой области перехода с шириной одновременно будет велико число электронов в полосе и дырок (свободных уровней) в энергетической полосе , то есть рас­пределение носителей заряда оказывается подобным распределению, показанно­му на рис. 11.10,что свидетельствует об инверсии населенностей. В этой области происходит наиболее интенсивная рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся спонтанным излучением с энергией, большей ширины запрещенной зоны. Чем больше внешнее напряжение, тем больше концентрация электронов и дырок в области , тем сильнее выражена инверсия населенностей. При некото­ром пороговом напряжении (пороговом токе), когда вынужденное излучение, вы­званное спонтанным излучением, достаточно для компенсации потерь света в ма­териале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступает генерация. Таким образом, р-n-переход при малых токах является источником спонтанного излучения, что имеет место в светоизлучающих диодах, а при токах больше поро­гового — источником когерентного излучения, что имеет место в лазерах.

Первые инжекционные лазеры были созданы на арсениде галлия. Типичный ла­зер изготовляется в форме прямоугольного параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до одного миллиметра (рис. 11.12). Две грани полупровод­ника перпендикулярны плоскости р-n-перехода и образуют после шлифовки зер­кала резонатора. Две другие грани наклонены к плоскости р-n-перехода, чтобы не создать в этом направлении условий для самовозбуждения. Излучение выхо­дит из узкой области р-n-перехода перпендикулярно параллельным граням по­лупроводника.

Пороговый ток лазера в значительной степени зависит от температуры и концен­трации примесей. Понижение температуры облегчает вырождение полупровод­ников и, следовательно, уменьшает пороговый ток. Лазеры на арсениде галлия работают при температуре жидкого гелия 4,2 К или жидкого азота 77 К. В настоя­щее время разработаны инжекционные лазеры, работающие в импульсном режиме при комнатной температуре. Если при температуре жидкого гелия пороговый ток составляет 100 А/см², то при комнатной температуре он достигает 10⁵ А/см².

Инжекционные лазеры, обладая рядом недостатков (большая расходимость луча, широкая линия излучения), имеют ряд важных преимуществ перед другими лазе­рами. Они обладают высоким КПД, малыми размерами, простотой конструкции, большой мощностью, снимаемой с 1 см² излучающей поверхности, возможностью работы в импульсном режиме при комнатной температуре. Преимущества полу­проводниковых лазеров заключаются также в простоте модуляции излучения, осуществляемой изменением тока накачки. Все эти достоинства открывают ши­рокие возможности практического применения таких лазеров.

Гетеролазер

Энергетические диаграммы гетеропереходов (см. главу 1) характеризуются раз­личными потенциальными барьерами для встречных потоков электронов и ды­рок, что вызывает одностороннюю инжекцию носителей заряда из широкозонно­го эмиттера в узкозонную базу. При этом концентрация инжектированных в базу носителей заряда может на несколько порядков превышать свое равновесное зна­чение в эмиттерной области.

Лазеры на основе гетеропереходов (гетеролазеры) были предложены Ж. И. Алфе­ровым. В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырож­дения, так как условие инверсии населенностей энергетических уровней выпол­няется за счет разницы в ширине запрещенных зон. Структура гетеролазера представлена на рис. 11.13.Она состоит из области GaAs n-типа, узкой области GaAs р-типа и области тройного соединения AlGaAs р-типа. Активной является средняя область, в которой создается инверсия населенностей. На границе сред­ней и правой областей образуется потенциальный барьер, который ограничивает длину свободного пробега электронов, инжектированных из левой области, и тем самым повышает эффективность образования вынужденного излучения. Кроме того, из-за различия в коэффициентах преломления в средней и правой областях на их границе наблюдается внутреннее отражение света {волноводный эффект), что уменьшает поглощение света в правой неактивной области.

В нашей стране были разработаны также гетеролазеры с полным внутренним отражением света с обеих сторон от активного слоя, названные лазерами с двой­ной гетероструктурой,или ДГС-лазерами. В этих лазерах удалось существенно снизить плотность порогового тока и получить большой КПД, что позволило при комнатной температуре осуществить режим непрерывного излучения, который ранее был возможен только при температуре жидкого азота. В ДГС-лазерах на основе соединений GaAs—GaAlAs при комнатной температуре плотность порого­вого тока составляет менее 1 кА/см².

Отличительными особенностями гетеролазеров являются высокий КПД, удобство возбуждения, малые габариты. Путем изменения концентрации примесного алю­миния от 0 до 30 % в Al_xGa_1-xAs можно изготовлять лазеры с различной длиной волны излучения в пределах от 0,68 до 0,9 мкм.

За разработку полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов Ж. И. Ал­феров в 2001 году был удостоен Нобелевской премии.

Литература

1. Аваев Н. А., Наумов Ю. Е., Фролкин В, Т. Основы микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1991.

2. Агаханян Т. М. Интегральные микросхемы. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. АлексенкоА. Г. Основы микросхемотехники. М.: Советское радио, 1977.

4. Андрушко А. М., Федоров Н. Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1981.

5. Батушев В. А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980.

6. Валиев К. А,, Кармазинский А. Н., Королев М. А. Цифровые интегральные схемы на МДП ранзисторах. М.Советское радио, 1971.

7. Васильева А. С, Завалина И. П., Калинер Р. С, Катушки индуктивности аппаратуры связи. М.: Связь, 1973.

8. Викулгш И. М., Стафеев В. И, Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990.

9. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1975.

10. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991.

11. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.

12. Ефимов И. Е., Козырь И. Я. Основы микроэлектроники. М: Высшая школа, 1983.

13. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, ункциональная электроника. М.: Высшая школа, 1987.

14. Ефимов И. Е. Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. Физические и технологические сновы, надежность. М.; Высшая школа, 1986.

15. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. М.: Радио связь, 1989.

16. Конденсаторы: Справочник. М.: Радио и связь, 1993.

17. Мозель К. Б. Трансформаторы электропитания. М.: Энергоиздат, 1982.

18. Маллер Р., Кейлинс Т. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989.

19. Мишин Д. Д. Магнитные материалы. М.: Высшая школа, 1981.

20. Парфенов О. Д. Технология микросхем. М.; Высшая школа, 1986.

21. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. СПб.: Лань, 2002.

22. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. СПб.: Лань, 2001.

23. Пауль Р. Транзисторы. М.: Советское радио, 1973.

24. Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет / Под ред. А. В. Коваля. — М.: Советское радио, 1977.

25. Резисторы: Справочник. М.: Радио и связь, 1991.

26. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1991.

27. Рычина Т. А. Электрорадиоэлементы. М.: Советское радио, 1976.

28. Рычина Т. А,, Зеленский А. Б. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. М.: Радио и связь, 1989.

29. Сидоров И. Н., Мукосеев В. В., Христинин А. А. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

30. Соловьев Г. Н. и др. Схемотехника ЭВМ. М.: Высшая школа, 1995.

31. Соломатин Н. М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высшая школа, 1987.

32. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Советское радио, 1980.

33. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1982.

34. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление.М :Мир, 1985.

35. Тугое Н.М., Глебов Б. А., ЧарыковН.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

36. Шалимова К. В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985.

37. Электронные приборы: Учебник для вузов / Под. ред. Г. Г. Шишкина. М.: Энергоатомиздат, 1989.

38. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие длявузов / Под ред. Н. Д. едорова. М.: Радио и связь, 1998.

(*) ,при Т=300ºК U_T=0,026B

(**) при t=1 - подвижность электрического поля. Скорость в поле единичной напряженности