Полупроводниковый лазер

Инжекционный полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый кристалл размером около 1 мм, в котором сформирован переход (см. рис. 35.37). Две перпендикулярные к плоскости перехода плоско-параллельные грани кристалла отполированы и служат в качестве полупрозрачных зеркал с коэффициентом отражения около 30%. Наиболее широко используется инжекционный лазер на арсениде галлия . Область типа получают внесением в арсенид галлия примеси теллура в концентрации , область типа – внесением примеси цинка в концентрации . Это очень большая концентрация примесей. В обычных диодах она намного меньше (около ).

Ток, проходящий через переход, вбрасывает в область перехода большое количество электронов и дырок. Само название инжекционного лазера происходит от слова “инжекция” (“инъекция”) – вбрасывание. При рекомбинации пар электрон-дырка испускаются фотоны с энергией, равной ширине запрещенной зоны . Рассмотрим судьбу фотона, движущегося вдоль перехода перпендикулярно к зеркальным граням. Прежде чем выйти наружу через одно из полупрозрачных зеркал, он может несколько раз отразиться от зеркал, снова и снова проходя через область перехода. Когда такой фотон встречает на своем пути пару электрон-дырка, он вызывает их рекомбинацию, причем фотон, испускаемый при рекомбинации, имеет такую же частоту, такую же фазу и такое же направление, как и вызвавший рекомбинацию. Таким образом, луч, направленный вдоль переходапереходу перпендикулярно к зеркалам, многократно усиливается. Часть этого луча выходит наружу через полупрозрачные зеркала. Те же первоначальные фотоны, которые пошли в сторону от оси зеркал, теряются без последствий.

Инфракрасный лазерный луч с длиной волны 0,89 мкм и с угловым расхождением около 1°, имеет мощность в непрерывном режиме около 0,2 Вт. Первые полупроводниковые лазеры приходилось охлаждать жидким азотом до температуры 77 К. Теперь наиболее распространенными являются лазеры на гетероструктурах, т. е. такие, в которых область и область представлены разнородными полупроводниками, например, область – арсенидом галлия , а область – . Последний кристалл представляет собой тот же арсенид галлия, в котором доля атомов галлия заменена атомами алюминия. В зависимости от доли атомов алюминия изменяются свойства перехода. Лазеры на гетероструктурах уже не требуют охлаждения, в зависимости от структуры могут испускать свет с длиной волны от 0,32 мкм (ультрафиолет) до 32 мкм (инфракрасные лучи), имеют КПД . Исследования гетероструктур Жоресом Алферовым отмечены Нобелевской премией.

Изменяя ток инжекции, можно управлять излучением полупроводниковых лазеров. Благодаря этому они находят применение в световолоконных линиях связи, в лазерных принтерах компьютеров, в устройствах записи информации на компакт-диски и считывания информации с этих дисков и т. д.