Условия возникновения генерации

Процесс излучательной рекомбинации обусловлен спонтанными переходами зона-зона. При некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковые частоту и фазу с индуцирующими. Условия возникновения индуцированного (лазерного излучения):

1.Наличие активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения.

2.Наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров – инжекция носителей заряда через р-n-переход.

3.Наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Одним из наиболее распространенных методов реализации является использование резонатора Фабри-Перо – системы из двух плоскопараллельных зеркал, обеспечивающей многократное прохождение оптического излучения через активное вещество. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. В полупроводниковом лазере резонатором служат параллельные грани самого кристалла, создаваемые путем скола.

4.Обеспечение условий ограничения:

А) электрическое – состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область;

Б)– электронное – требует предотвратить "растекание" возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла;

В)– оптическое – состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл; в инжекционных лазерах обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько больший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча.

Требования электрического и электронного ограничения являются специфическими, характерными только для полупроводниковых лазеров. Для полупроводникового лазера границы оптического канала не обязательно должны совпадать с областью электронного ограничения.

5.Наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д. Необходимость восполнить энергию, расходуемую на эти потери, и объясняет наличие порога лазерной генерации.

7.Условие лазерной генерации и порог возбуждения:

Чтобы превратить усилитель оптического излучения в генератор, необходимо организовать петлю положительной обратной связи. Наиболее просто это сделать, если поместить активную среду в оптический резонатор – между двумя зеркалами, плоскости которых взаимно параллельны. Для каждой резонансной частоты резонатора устанавливается равновесная плотность оптической мощности, соответствующая равенству усиления на проход и общих потерь излучения (включающих энергию выходного луча лазера). Генерация не может начаться, пока коэффициент усиления не превысит потери, т.е. пока уровень инверсии населенности не превысит порог . Порог генерации – это энергия, поступающая от источника накачки, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерации равен общему коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на этой же частоте. Коэффициент усиления зависит от инверсной населенности – для полупроводникового лазера определяется концентрацией избыточных носителей или плотностью тока, протекающего через p-n-переход. Плотность тока, при которой выполняется равенство = , называется пороговой.