ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ЛА́ЗЕР

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ЛА́ЗЕР, один из ти­пов ла­зе­ра, в ко­то­ром ра­бо­чим ве­ще­ст­вом слу­жит по­лу­про­вод­ни­ко­вая сре­да. В П. л. ис­поль­зу­ют­ся из­лу­ча­тель­ные пе­ре­хо­ды ме­ж­ду энер­ге­тич. зо­на­ми или под­зо­на­ми кри­стал­ла. Су­ще­ст­ву­ет неск. раз­но­вид­но­стей П. л.: ин­жек­ци­он­ный ла­зер, ге­те­ро­ла­зер, ла­зер на кван­то­вых точ­ках, кван­то­вый кас­кад­ный ла­зер. В боль­шин­ст­ве П. л. из­лу­че­ние про­ис­хо­дит за счёт ре­ком­би­на­ции элек­тро­нов и ды­рок. На­кач­ку в та­ких ла­зе­рах осу­ще­ст­в­ля­ют элек­трич. то­ком, элек­трон­ным пуч­ком, оп­тич. из­лу­че­ни­ем. Боль­шин­ст­во П. л., напр. ин­жек­ци­он­ный, ра­бо­та­ют при на­кач­ке элек­трич. то­ком. Важ­ней­ши­ми пре­иму­щест­ва­ми П. л. яв­ля­ют­ся вы­со­кий кпд, ми­ниа­тюр­ные раз­ме­ры, ма­лая инер­ци­он­ность, про­сто­та кон­ст­рук­ции и ма­лое элек­тро­по­треб­ле­ние. П. л. – един­ст­вен­ный тип ла­зе­ров, до­пус­каю­щий мо­но­лит­ную ин­те­гра­цию с эле­мент­ной ба­зой обыч­ной по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ки. По­это­му П. л. – са­мые по­пу­ляр­ные и ши­ро­ко рас­про­стра­нён­ные ла­зе­ры.

Принцип действия

Во всех П. л., за ис­клю­че­ни­ем кван­то­вых кас­кад­ных, фо­то­ны элек­тро­маг­нит­но­го по­ля ге­не­ри­ру­ют­ся при меж­зон­ных пе­ре­хо­дах в ре­зуль­та­те из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ции из­бы­точ­ных элек­тро­нов в зо­не про­во­ди­мо­сти и из­бы­точ­ных ды­рок в ва­лент­ной зо­не. Со­стоя­ние ин­верс­ной на­се­лён­но­сти соз­да­ёт­ся ин­тен­сив­ной на­кач­кой, и при на­ли­чии об­рат­ной свя­зи, осу­ще­ст­в­ляе­мой с по­мо­щью оп­ти­че­ско­го ре­зо­на­то­ра, ге­не­ри­ру­ет­ся из­лу­че­ние.

Кван­то­вые кас­кад­ные ла­зе­ры прин­ци­пи­аль­но от­ли­ча­ют­ся от ин­жек­ци­он­ных, по­сколь­ку в них ис­поль­зу­ют­ся но­си­те­ли за­ря­да од­но­го зна­ка. В кван­то­вых кас­кад­ных П. л. фо­то­ны из­лу­ча­ют­ся без уча­стия ды­рок при пе­ре­хо­дах элек­тро­нов ме­ж­ду под­зо­на­ми раз­ре­шён­ной зо­ны в по­лу­про­вод­ни­ко­вой сверх­ре­шёт­ке. При со­от­вет­ст­вую­щих со­ста­ве кван­то­вых ям сверх­ре­шёт­ки, тол­щи­не сло­ёв и дос­та­точ­ном то­ке на­кач­ки воз­ни­ка­ет ин­вер­сия на­се­лён­но­сти в под­зо­нах и, как след­ст­вие, ге­не­ра­ция из­лу­че­ния. Дви­же­ние элек­тро­нов при ла­зер­ной ге­не­ра­ции пред­став­ля­ет со­бой кас­кад пе­ре­хо­дов ме­ж­ду со­сед­ни­ми кван­то­вы­ми яма­ми, со­про­во­ж­даю­щих­ся вы­ну­ж­ден­ным ис­пус­ка­ни­ем фо­то­нов.

По ти­пу ак­тив­ной сре­ды П. л. мож­но раз­де­лить на ла­зе­ры с объ­ём­ной ак­тив­ной об­ла­стью (3D), на ос­но­ве кван­то­вых ям (2D), кван­то­вых про­во­лок (1D) и кван­то­вых то­чек (0D). По ти­пу вы­во­да из­лу­че­ния П. л. под­раз­де­ля­ют­ся на ла­зе­ры, из­лу­чаю­щие с тор­цов по­лу­про­вод­ни­ко­во­го чи­па, и по­верх­но­ст­но из­лу­чаю­щие ла­зе­ры (с вер­ти­каль­ным ре­зо­на­то­ром). По ти­пу ре­зо­на­то­ра П. л. мож­но раз­де­лить на ла­зе­ры с внеш­ним ре­зо­на­то­ром и с собств. ре­зо­на­то­ром (мо­но­лит­ные), с ре­зо­на­то­ра­ми Фаб­ри – Пе­ро, с ре­зо­на­то­ра­ми с рас­пре­де­лён­ной об­рат­ной свя­зью, с брэг­гов­ски­ми рас­пре­де­лён­ны­ми зер­ка­ла­ми. Ак­тив­ная об­ласть в П. л. мо­жет со­сто­ять ли­бо из од­но­го из­лу­чаю­ще­го эле­мен­та, ли­бо пред­став­лять со­бой на­бор из­лу­чаю­щих эле­мен­тов в ви­де фа­зи­ро­ван­ной ли­ней­ки или дву­мер­ной мат­ри­цы для уве­ли­че­ния мощ­но­сти и энер­гии из­лу­че­ния. Мощ­ность из­лу­че­ния разл. П. л. ле­жит в диа­па­зо­не от 1 мВт до еди­ниц и де­сят­ков кВт. Раз­ные П. л. из­лу­ча­ют как в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме, так и в им­пульс­ном, ге­не­ри­руя ульт­ра­ко­рот­кие им­пуль­сы дли­тель­но­стью до 100 фс (10^–13 с).

Полупроводниковые материалы для активной среды

В П. л. в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ис­поль­зу­ют­ся пря­мо­зон­ные по­лу­про­вод­ни­ки, в ко­то­рых соз­дан­ные на­кач­кой элек­тро­ны и дыр­ки име­ют при­мер­но оди­на­ко­вый ква­зи­им­пульс. Они за­ни­ма­ют энер­ге­тич. со­стоя­ния в со­от­вет­ст­вую­щих экс­тре­му­мах ва­лент­ной зо­ны и зо­ны про­во­ди­мо­сти и за­тем ре­ком­би­ни­ру­ют с из­лу­че­ни­ем. Др. час­ти­цы в этом про­цес­се не уча­ст­ву­ют, и ве­ро­ятность меж­зон­ных пе­ре­хо­дов, ко­то­рой про­пор­цио­наль­на ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния, ве­ли­ка. В не­пря­мо­зон­ных по­лу­про­вод­ни­ках, напр. та­ких, как крем­ний или гер­ма­ний, для ре­ком­би­на­ции но­си­те­лей за­ря­да не­об­хо­ди­мо уча­стие др. час­тиц или ква­зи­ча­стиц, напр. фо­но­нов. Это на мно­го по­ряд­ков умень­ша­ет ве­ро­ят­ность из­лу­ча­тель­ных пе­ре­хо­дов, и меж­зон­ная лю­ми­нес­цен­ция су­ще­ст­вен­но по­дав­ле­на. По­пыт­ки соз­дать эф­фек­тив­ные П. л. на не­пря­мо­зон­ных по­лу­про­вод­ни­ках за­кон­чи­лись не­уда­чей. Все соз­дан­ные П. л. ис­поль­зу­ют пря­мо­зон­ные по­лу­про­вод­ни­ки, от­но­ся­щие­ся ли­бо к би­нар­ным соеди­не­ни­ям A^IIIB^V, A^IVB^VI, A^IIB^VI, ли­бо к твёр­дым рас­тво­рам трёх или че­ты­рёх по­лу­про­вод­ни­ков. Ком­по­зи­ции по­лу­про­вод­ни­ков с разл. ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны по­зво­ля­ют по­лу­чать из­лу­че­ние разл. длин волн от УФ- до да­лё­ко­го ИК-диа­па­зо­на. К са­мым рас­про­стра­нён­ным П. л. от­но­сят­ся ла­зе­ры на ос­но­ве InGaN/GaN (дли­на вол­ны 405–450 нм), AlGaInP (635–670 нм), GaAlAs (785–808 нм), GaAs/AlGaAs (850–890 нм), InGaAs (980 нм), InGaAsP (1300–1600 нм). Кро­ме не­ор­га­нич. по­лу­про­вод­ни­ков, для П. л. ис­поль­зу­ют так­же ор­га­нич. по­лу­проводниковые со­еди­не­ния.

При­ме­не­ние. П. л. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в разл. об­лас­тях, что обу­слов­ле­но це­лым ря­дом их дос­то­инств: ком­пакт­но­стью, вы­со­кой эф­фек­тив­но­стью пре­об­ра­зо­ва­ния под­во­ди­мой энер­гии, воз­мож­но­стью плав­ной пе­ре­строй­ки дли­ны вол­ны из­лу­че­ния, ши­ро­ким диа­па­зо­ном длин волн ге­не­ра­ции (от 0,3 до 30 мкм). В во­ло­кон­но-оп­ти­че­ских ли­ни­ях свя­зи наи­бо­лее ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся П. л., из­лу­чаю­щие на дли­нах волн 1300 и 1550 нм и обес­пе­чи­ваю­щие ра­бо­ту та­ких по­пу­ляр­ных служб, как Ин­тер­нет и мо­биль­ная те­ле­фо­ния. Вто­рое мас­со­вое при­ме­не­ние П. л. – оп­тич. па­мять, за­пись и вос­про­из­ве­де­ние ау­дио- и ви­део­ин­фор­ма­ции. Все ком­пь­ю­тер­ные ком­по­нен­ты и бы­то­вые зву­ко- и ви­део­вос­про­из­во­дя­щие уст­рой­ст­ва [уст­рой­ст­ва за­пи­си и чте­ния ком­пак­т-дис­ков, DVD-дис­ков и дис­ков с по­вы­шен­ной плот­но­стью за­пи­си (фор­ма­та Blue-Ray)] ис­поль­зу­ют П. л. К др. важ­ным при­ме­не­ни­ям П. л. от­но­сят­ся на­кач­ка твер­до­тель­ных и во­ло­кон­ных ла­зер­ных сис­тем, ме­ди­ци­на и био­фо­то­ни­ка, об­ра­бот­ка ма­те­риа­лов, ин­ду­ст­рия раз­вле­че­ний, оп­тич. сен­со­ры и даль­но­ме­ры, при­бо­ро­строе­ние и на­уч. ис­сле­до­ва­ния.