Щ1 = щ

(3.5)

2Lz RiRi

На основе этой формулы ширина спектра выражается как

Av, = VA,/Q, (3.6)

2nvn

(3.7)

- добротность резонатора - показатель качества, характери-зующ,ий степень потерь в резонаторе.

Формула (3.6) показывает, что в резонаторе с потерями су-щ,ествует излучение незначительной мощ,ности с частотой, которая отличается от частоты \n, определяемой по формуле (3.3), на значение ±Avc/2.

Индуцированное излучение и генерация лазера. Считается, что лазер, как когерентный источник, генерирует свет с использованием только спонтанного излучения светоизлучающ,их вещ,еств. В действительности же в соответствии с законами квантовой механики происходит не только спонтанное излучение, но н еще один процесс - так называемое индуцированное излучение. При этом (рис. 3.6), если на электрон, находящийся на верхнем энергетическом уровне (в газе) или в зоне проводимости (в полупроводнике), падает свет с частотой vo, примерно равной частоте v по формуле (3.1), то возникает излучение с частотой Vo и направлением падающего света.

Для эффективного использования индуцированного излучения светоизлучающее вещество помещается в объемный резонатор, подобно тому как показано на рис. 3.4. В этом случае, если в данном веществе, подавая энергию извне, создать распределение инверсий, то сначала в различных направлениях распространяется свет спонтанного излучения с различной частотой. Затем некоторые электроны, облучаемые светом спонтанного излучения с частотой vo, генерируют индуцированное излучение, свет которого возбуждает к индуцированному излучению, и другие электроны. Таким образом, в резонаторе распространяется свет с частотой vo- Он отражается от стенок резонатора и по мере прохождения туда и обратно усиливается. В стационарном режиме этот свет имеет моду, удовлетворяю-

ш/щ/т,

Рис. 3.6, Индуцированное излучение в газе (а) и полупроводнике (б)

Рис, 3.7. Спектр колебаний лазера

£пектр усиления

"02

щую условиям резонанса в резонаторе. В этом и состоит принцип генерации излучения лазером.

Поскольку генерация в подобном лазере возникает как разновидность спонтанного излучения, то мощность лазерного излучения и его частота зависят от формы спектра спонтанного излучения (см. рис. 3.3, б). На рис. 3.7, а эта форма воспроизведена с дополнительными пояснениями. Форму спектра спонтанного излучения, поскольку она отражает степень возбудимости колебаний в лазере, можно считать характеристикой усиления (спектром усиления) для этих колебаний. В данном случае частота, лазера vo не удовлетворяет условиям резонанса в резонаторе, а среди частот продольных мод резонатора, которые попадают в область, равную ширине Av спектра спонтанного излучения светоизлучающего вещества (см. рис. 3.5, б), имеется частота Удг, попадающая в интервал ±Avc/2.

Для возникновения колебаний в лазере наряду с указанными частотными условиями необходимо соблюдение и энергетических условий. Иначе говоря, необходимо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, вполне достаточную для компенсации потерь в резонаторе [см. формулу (3.5)], а также для создания определенного числа распределений инверсий и усиления света (с помощью индуцированного излучения). Минимальный необходимый для генерации коэффициент усиления, или так называемый пороговый коэффициент усиления, уравновешивающий потери, выражается как

gth = ti- (3-8)

Если воспользоваться этой формулой и совместить рис. 3.3, б и 3.5, б на одной частотной оси, то получим график, приведенный на рис. 3.7, а. Здесь иллюстрируется случай, когда поступающая извне энергия обеспечивает коэффициент усиления, больший его порогового значения. Интенсивностью спектра излучающей среды определяется усиление тех колебаний, для koj торых коэффициенты усиления не менее заданного формулой (3.8), из чего следует, что ширина Ave спектра, соответствую-

3 Заказ № 872

щая точно равновесию потерь и усиления, несколько меньше Av. При этом генерация лазера возникает на частотах vn продольной моды резонатора, входящих в область Ave с центром на частоте v. Таким образом, возможна генерация одновременно на одной или нескольких продольных модах. На рис. 3.7, б приведен пример генерации на двух модах.

При генерации лазера, поскольку его свет носит характер индуцированного излучения, фазы световых волн совпадают, а угол рассеяния в направлении излучения мал, т. е. лазер является когерентным источником света. Влияние колебаний амплитуды н флюктуации частоты спонтанного излучения, лежащего в основе генерации, здесь незначительно, что ограничивает уровень шумов амплитудной и частотной модуляций лазерного света. Шнрнна спектра Av( лазерного излучения определяется этими шумами, однако она гораздо меньше ширины Av, AvG и Avc спектра излучения некогерентного источника света.

3.3. СВЕТОДИОДЫ

3.3.1. Светоизлучающие материалы. Светодиоды являются примером некогереитного источника света. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.). В нем, как показано на рис. 3.8,а, электрон в зоне проводимости не сталкивается с узлами кристаллической решетки, т. е. при сохранении количества движения переходит в зону валентных электронов и воссоединяется с дыркой. При таком переходе возникает спонтанное излучение.

В полупроводнике с косвенным переходом (рис. 3.8,6) электрон при переходе передает свое количество движения узлу кристаллической решетки и спонтанного излучения не возникает. К таким полупроводникам относятся кремний, германий, и они в светоизлучающих приборах не используются.

Полупроводники на основе соединений GaAs и других, состоящих из двух и более элементов, чаще всего являются полупроводниками с прямым переходом и легко излучают свет. Если к тому же использовать три-четыре типа элементов, то в соответствии с соотношением компонентов изменяется энергия Eg запрещенной зоны, определяемая по формуле (3.1), что позволяет создавать светоизлучающие приборы с различной длиной световой волны. При изменении соотношения компонентов изменяется также и коэффициент преломления. На рис. 3.9 представлено несколько типов полупроводников, полученных на основе химических соединений, и показан диапазон их светового излучения. Среди них есть и такие, которые излучают видимый свет с длиной волны менее 1 мкм, что важно для датчиков. Это трехэлементные химические соединения, состоящие 66

Рис. 3.8. Переход электронов из зоны проводимости в зону валентных электронов

а) Зона проводимости

Зона Валентных злетроноё

Количество движения

из кристаллов GaAs с добавками А1, In, Р и Sb. Для их описания используется такая форма записи, как, например, AlxGai iAs, где л: -доля компонента (молярная масса), 0дс1.

Если выращивать на подложке InP четырех-элементное химическое

соединение, например lnxGai-xAsyP\-y, то в зависимости от соотношения долей X я у светоизлучение будет изменяться в диапазоне длин волн от 1,0 до 1,6 мкм. В качестве источника света для волоконно-оптических датчиков желателен прибор, работающий на длине волны А,-1,6 мкм, при которой поглощение излучаемого света в кварцевом волокне минимально, и на длине волны %1,3 мкм, при которой отсутствует дисперсия коэффициента преломления.

На рис. 3.10 показано изменение Eg, X я п q зависимости от соотношения долей х п у компонентов соединения. Поскольку химические соединения, включающие свинец, излучают свет

Группа Е-Ш ZnSSe I I GaAs

0 0,5 1,0

Ю MKM

Рис. 3.9. Возможные области излучения полупроводниковых лазеров иа основе различных групп химических соединений

0,2 0£ 0,8 1,0

Х=0,9мкм 1-1-1

О 0,2 Q,it 0,6 да 1,0

Содержание компонентов (х, у

Рис. 3.10. Ширина запрещенной зоны, длина волны и коэффициент преломления кристаллов в зависимости от соотношения компонентов соединений

Злетр

Рис. 3.11. Светодиод: а -структура; б - энергетические зоны

В диапазоне от нескольких микрон до 20 мкм, то их можно использовать при создании источников света для датчиков загрязнения атмосферы органическими газами, а также для лазерного радара.

3.3.2. Характеристики светоизлучения. На рис. 3.11, а приведена структура светодиода. Слой GaAs с р-проводимостью охвачен с обеих сторон слоем р-типа AlxGai-As и слоем п-типа AlyGai-yAs. Подобная конструкция называется двухслойной гетер остр у ктур ой. Из слоя «-типа в слой GaAs инжектируются электроны, но, как показано на рис. 3.11,6, из-за энергетического барьера (гетеробарьера) в области гетероперехода слоя GaAs и слоя р-типа электроны не рассеиваются в слое

Рис. 3.12. Структура светодиода с боковым излучением (а) и повышенной яркости с торцевым излучением (б)

р- SiAs Sl02

Электрод

TZZZZZZZZZZZZZ Электрод

-45qAs

/7777А~Элетрод

-p-GoAs -P-AIGq,./s

р-типа, a накапливаются в слое GaAs и затем переходят в зону валентных электронов, генерируя спонтанное излучение. Слой GaAs, излучающий свет, называется активным слоем. А оба боковых слоя AlGaAs называются слоями оболочки. Излучаемый свет, в связи с тем что энергия запрещенной зоны в обоих слоях оболочки больше энергии активного слоя, не поглощается электронами валентной зоны слоев оболочки (т. е. излучение не используется для возбуждения этих электронов и перехода их в зону проводимости), а проходя через эти зоны, излучается наружу.

Как показано на рис. 3.12, а, существуют светодиоды бокового излучения, которые излучают свет перпендикулярно поверхности перехода, и светодиоды высокой яркости (SLD - Super Luminescent Diode) с торцевым излучением, которые из-лучают свет параллельно поверхности перехода. Последние по сравнению с первыми обладают большой мощностью излучения и используются в качестве источников света для датчиков, в которых не требуется когерентность света. Кроме того-(см. § 3.5), они используются вместо лазера в тех случаях, когда высокая когерентность может оказаться помехой вследствие, например, шумов, индуцированных обратным лучом полупроводникового лазера.

Одной из основных характеристик AlGaAs-светодиода является мощность излучаемого света (обычно от нескольких до 100 мВт при инжекционном токе 100... 200 мА и примерно пропорциональна ему). Длина волны центра спектра 730 ... 900 нм, а ширина спектра 30.,. 60 нм. В соответствии с обозначением на рис 3.3,6 v = 330...410 ТГц, а Av=11...22 ТГц. Угол рассеяния в направлении излучаемого света очень велик-120... 180°. Следовательно, даже при использовании линзы трудно получить параллельные, хорошо сфокусированные лучи, что снижает эффективность соединения светодиода с оптическим