волокном. Даже при многомодовом оптическом волокне коэффициент эффективности соединения ограничен несколькими процентами. Для повышения эффективности к светодиоду приклеивается миниатюрная линза или подложка светодиода обрабатывается в форме выпуклой линзы.

С помощью инжекционного тока можно модулировать мощность излучения, но частота модуляции ограничена значением

fm = -. (3.9)

2лт5

где Ts -время перехода инжектированных носителей, сопровождаемого спонтанным излучением, т. е. продолжительность спонтанного излучения.

Значение fm обычно составляет примерно 10 МГц. Долговечность спонтанного излучения при работе светодиода в условиях комнатной температуры, как считают, может достигать 10 ч и более.

Светодиоды на основе соединения InGaAsP тоже в больщинстве случаев имеют двухслойную гетероструктуру. Их мощность излучения I ... 3 мВт, длина волны центра спектра 1,1 .. . 1,5 мкм, ширина спектра 100 ... 200 нм, v = 200... 300 ТГц, Av=13...50 ТГц. Долговечность даже при температуре 60°С может превышать 10 ч, т. е. надежность выше, чем у AlGaAs-светодиодов.

3.4. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

3.4.1. Принцип действия и конструкция. Перед тем как рассматривать полупроводниковые лазеры, являющиеся в отличие от светодиодов когерентными источниками света, кратко познакомимся с особенностями газовых лазеров, что поможет лучше разобраться в характеристиках лазеров, описанных в этой главе. Возьмем в качестве типичного образца Не-Ne-лазер с излучением красного цвета (длина волны 633 нм). Среди газовых лазеров это один из малогабаритных, и так как его излучаемый видимый свет имеет малые шумы, то он является идеальным

Зеркало 12

Источник высокого напряжения, постоянно сопротивление 50 нОм

Отрицатвльнш - Полоштельиый,

эпетрод " П электрод зеркало Ri

Смесь He-Ne

Рис. 3.13. Схема гелий-неонового лазера

Рис. 3.14. Энергетические уровни неона при генерации гелий-иеоио-вого лазера

-г 35,

-- 2р,-

Верхний уровень Х=633нм

Нижний уровень

(2рУ

S Базовый уровень

когерентным источником света и чаще всего применяется в высоковольтных датчиках, например в дальномерах.

На рис. 3.13 представлен пример конструкции такого лазера. Длина резонатора около 20 см. В середине резонатора расположена тонкая трубка длиной примерно 10 см и внутренним диаметром около 1 мм. Внутри этой

трубки находятся газы Не и Ne при соотношении парциальных давлений He:Ne = 5:l и общем давлении вакуума примерно 0,4 кПа (3 торр). Если приложить электрическое напряжение 1 ... 3 кВ, то возникает тлеющий разряд с током около 5 мА.

Энергетические уровни неона, соответствующие генерации лазера, показаны на рис. 3.14. И верхний и нижний энергетические уровни отстоят от базового очень «далеко» (18,5 эВ), а разница между ними сравнительно невелика (1,95 эВ), поэтому число распределений инверсий на этих уровнях мало. Следовательно, если даже с помощью разряда добавлять электрическую энергию извне, то все равно число возникающих распределений инверсий между верхним и нижним уровнями мало. Гелий примешивается с тем, чтобы увеличить это число. Ко-

что по

эффициент усиления генерации здесь 10-... 10- сравнению с полупроводниковыми лазерами слишком мало.

На концах газоразрядной трубки (см. рис. 3.13) в качестве окон приклеиваются или привариваются оптические полированные стекла под углом 0B = tg-i«B к оси трубки (лв -коэффициент преломления стекла). Этот угол называется углом Брю-стера. При таком угле коэффициент отражения для линейного поляризованного света внутри становится равным нулю, поэтому будет генерироваться свет только этой поляризации.

Как уже отмечалось, коэффициент усиления генерации здесь мал, а поэтому для получения лазерных колебаний вещество лазера (He-Ne) следует поместить в резонатор с большой добротностью. Обычно с обеих сторон газоразрядной трубки ставятся друг против друга плоские или вогнутые зеркала с точностью обработки отражательной поверхности в пределах 50 нм, т. е. создается резонатор Фабри-Перо (см. рис. 3.4,6). При коэффициенте отражения этих зеркал не менее 99 % доброт-

ность получается достаточно большой. Если принять коэффициент отражения i?i = i?2=99,8 %, длину резонатора Lj=20 см, то по формуле (3.5) получим потери резонатора ati = 2 • 10"* см-.

В данном случае, собственное поглощение света неоном н гелием отсутствует, т. е. а(! = 0. Это объясняется тем, что нижний энергетический уровень далек от базового уровня (см. рнс. 3.13). Если еще учесть, что потерн резонатора невелики, то, несмотря на малый коэффициент усиления, генерация все-такн происходит.

В соответствии с формулой (3.4) частотный интервал для продольной моды Avjv получается равным 750 МГц. Прн этом коэффициент преломления п среды (Не-Ne) внутри резонатора принимался равным единице. Далее по формуле (3.7) получается добротность резонатора Q=l•10 откуда ширина спектра Avc продольных мод резонатора будет равна 500 кГц. Поскольку температура электронов неона 500 °С, ширина спектра среды усиления, определяемая тепловой скоростью электронов неона, будет 1... 2 ГГц, т. е. примерно в два раза выше частотного интервала Avn продольных мод, поэтому обычно генерируется две-три соседние продольные моды. Что касается поперечных мод, то, благодаря введению в резонатор мнкроканала н регулировке радиуса кривизны вогнутых зеркал резонатора, могут генерироваться моды только самого низкого порядка.

3.4.2. Характеристики излучения. Мощность излучаемого газовым лазером света обычно равна 0,1... 5,0 мВт, а соотношение ее с подводимой электрической мощностью, или, иначе говоря, эффективность элемента, составляет 0,01 %. Угол рассеяния светового пучка

= 2 мрад.

(3.10)

т. е. излучаемый свет почти не рассеивается.

Размер пятна светового пучка или, точнее, раднус этого пятна определяется расстоянием от оси пучка до точки, в которой амплитуда вектора электрического поля света составляет 1/е-ю часть ее значения на оси пучка. Радиус пятна на поверх-< ности зеркала резонатора выражается как

Г£), = л/1г1/л =0,15 мм. (3.11)

В формулах (3.10) и (3.11) подразумевается конфокальный резонатор (радиус кривизны зеркал равен Lz).

Если зеркало резонатора приклеить к пьезоэлектрическому элементу и на этот элемент подавать напряжение переменного электрического тока или в резонаторе установить модулятор, 72

в котором используется электрооптнческий эффект, то можно модулировать частоту лазера и мощность излучения. Максимальная частота модуляции в первом случае около 100 кГц, а во втором примерно 100 МГц.

Ширина спектра Av; лазерного луча зависит от флюктуации спонтанного излучения, примешиваемого к лазерному, н от добротности резонатора, т. е.

2MAv.

Р {Na-Nb)th

(3.12)

Здесь Р - мощность лазерного излучения; Ла -число распределений инверсий на верхнем энергетическом уровне; {Ыа-Мь)ш - пороговая разность чисел распределения ниверснй.

Это выражение называется формулой Шавлова-Таунса.

Таким образом, ширина спектра Avc обратно пропорциональна мощности лазерного луча. Прн выходной мощности гелнй-неонового лазера 1 мВт по формуле (3.12) получается, что значение Av; равно нескольким мнллигерцам. Однако на практике вследствие возмущений воздуха внутри резонатора, механических вибраций к нестабильности плазмы газа Не-Ne ширина спектра увеличивается до нескольких килогерц. По этим же причинам наблюдается н отклонение резонансной частоты. Относительное отклонение составляет 10""*... 10~. Если для устранения отклонений ввести автоматическую отрицательную обратную связь, то это значение уменьшится до 10-*... 10~. Аналогичным образом происходят н флюктуации мощности лазерного луча; относительное отклонение 10"... 10-*. Введение автоматической отрицательной обратной связи позволяет сократить это значение до 10"*... 10-".

3.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

3.5.1. Излучающие материалы и резонаторы. Для обеспечения процесса индуцированного излучения, используемого в лазере, необходим материал, обладающий спонтанным излучением, т. е., по крайней мере, материал, пригодный для свето-диодов. В этом отношении более или менее подходит материал, упомянутый в п. 3.3.1. Для получения лазерных колебаний на основе этого материала необходимо поместить его в резонатор Фабри-Перо. Обычно создается двухслойная гетероструктура (рис, ЗЛ5,а), в которой электроны запираются в активном слое, а обе ее открытые торцевые поверхности, перпендикулярные оси светового луча (оси z на рисунке), делаются плоскостями спайности или с помощью химического травления превращаются в зеркала, и тем самым формируется резонатор Фабри-Перо.

p-GaA5

p - Gq As (активный слой) r\.-GaKs (подложка)

Зеркальная поверхность

g Напряженность I g злект/яческого

p-AljGa,.s

) -МуСа.Ыслой оболочки) (слой оболочки) p-Gas(aкmu8ный слой)

Z:,,-} Голупроводииковый лазер: а, б-структура; в - энергетические зоиы, г-распределение коэффициента преломления и электрического поля

света

Длина резонатора Lz обычно 300 мкм. С другой стороны, поскольку среднее расстояние рассеяния (глубина диффузии) инжектируемых в активный слой электронов равна 1 ... 2 мкм, то нет смысла в том, чтобы толщина d активного слоя была выше. Кроме того, как уже отмечалось, желательно, чтобы из поперечных мод могли генерироваться только моды самого низкого порядка, поэтому толщина d выбирается поменьше, обычно 0,1 мкм.

В направлении оси х ширина w активного слоя делается также небольшой, чтобы в нем запирались инжектируемые электроны. Здесь, как и в случае с оптическим волокном, создаются условия, при которых могут генерироваться поперечные моды только самого низкого порядка. Если выбрать w не более 0,5 мкм, то эти условия соблюдаются, ио на практике из-за технологических трудностей ширина w обычно не менее 2 мкм.

Таким образом, электроны можно запереть в резонаторе типа волновода с прямоугольным поперечным сечением, ограниченным размерами w и d вдоль осей х и у. В двухслойной гетеро-структуре, приведенной на рис. 3.15, коэффициент преломления активного слоя, как и в случае, отображенном на рис. 3.10, больше коэффициента преломления обоих прилегающих к нему слоев, поэтому активный слой соответствует оптическому волокну, а свет, запертый в нем, распространяется, как в волноводе. Практически для света коэффициент удержания в активном слое всего лишь 0,2, но даже этого вполне достаточно, чтобы возникла лазерная генерация.

Таким образом, в резонаторе волноводного типа свет распространяется с частичным его удержанием и благодаря индуцированному излучению появляются лазерные колебания. Подобный лазер называется полупроводниковым с двухслойной гетероструктурой полоскового типа.

В отличие от газового лазера здесь необходимо учитывать рассеяние кристаллической решеткой и поглощение примесями, т. е. в правой части формулы (3.5) следует добавлять также член щ; для соединения GaAs его значение примерно 10 см-. Коэффициент отражения плоскостей спайности выражается как

где п - коэффициент преломления активного слоя.

Для GaAs коэффициент я = 3,5, откуда получается /?i=/?2 = = 30 %. Это намного меньше, чем для гелий-неонового лазера.

С учетом отмеченного выше значения щ и формулы (3.13) можно предположить, что потери резонатора будут велики. В частности, для GaAs при Lz.=300 мкм из формулы (3.5) получается а» = 50 см-. Следовательно, добротность резонатора будет Q«5,6- 101