Вклад Ж.И.Алферова в развитие оптической и квантовой электроники на примере полупроводникового лазера

Специфика процессов генерирования излучения в полупроводниковых лазерах во многом обусловлена системой энергетических уровней полупроводника. В отличие от отдельных атомов и молекул, полупроводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими полосами — зонами энергетических состояний. Разрешенные зоны отделены одна от другой запрещенными зонами. В полупроводнике, подвергнутом нагреву, облучению или пропусканию тока, электроны валентной зоны, поглощая энергию, сообщаемую извне, приобретают способность преодолевать запрещенную зону и переходить в более высокую энергетическую зону — зону проводимости. В результате этого образуются пары носителей заряда: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, что приводит к электронно-дырочной проводимости. Возможен, очевидно, и обратный переход электронов возбужденного атома на более низкий энергетический уровень: из зоны проводимости в валентную зону. В результате такого перехода пары электрон — дырка рекомбинируют, т. е. при заполнении электронами пустых мест (дырок) в валентной лоне, электрон и дырка исчезают, выделяя избыточную энергию, полученную электронами извне в процессе возбуждения атома. Этот процесс длится примерно 10^-10…10^-12 [8, 9]

В естественных условиях при  отсутствии каких-либо внешних воздействий  на полупроводник, электронно-дырочные пары возникают и рекомбинируют в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов, причем в полупроводнике устанавливается тепловое равновесие электронов и дырок. Оно характеризуется некоторым равновесным количеством электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

Полупроводниковые лазеры находят сегодня целый ряд важных применений в различных областях.

Впервые эти лазеры в больших  масштабах использовались в качестве оптической считывающей головки в компакт дисковых системах. Теперь эта область применения расширилась и включает в себя оптические диски, используемые как постоянные или одноразовые запоминающие устройства. Для этих применений используются GaAs-лазеры, однако предпринимаются большие усилия для разработки полупроводниковых лазеров видимого диапазона, поскольку более короткая длина волны позволяет считывать диски с более высокой поверхностной плотностью записи. [8, 9]

В лазерах видимого диапазона  в качестве активной среды применяется  тройном сплав GalnP (или четверной сплав AIGalnP), а для р-и n-областей — GaAs. Выбором подходящего параметра состава можно согласовать решетки обоих сплавов с GaAs, и к настоящему времени достигнута надежная работа при комнатной температуре в красной области спектра ( — 680 нм) на основе GalnP. Кроме того, эти лазеры широко применяются в волоконно-оптнческой связи, причем опять же с GaAs. в то время как в будущем, наверное, для этой цели лучше подойдет лазер на четверном сплаве InGaAsP. Для применений а связи срок службы любого компонента должен составлять как минимум около 10⁵ ч (т. е. больше 10 лет). Срок службы промышленных устройств составляет 10 ч. а экспериментальных около 5*10 ч.

В настоящее время полупроводниковые лазеры на GaAs широко применяются для накачки Nd:YAG-лазеров² в конфигурации с продольной накачкой [13]. Для получения более высоких мощностей стержень из Nd:YAG можно также накачивать в поперечной конфигурации линейкой диодных лазеров. Как уже отмечалось, выходная мощность полоскового диодного лазера ограничена оптическим разрушением грани до типичного значения около 50 мВт.

С целью повышения мощности были разработаны линейки диодов с отдельными лазерными каналами, достаточно близко расположенными друг к другу, так что излучение всех этих каналов становится связанным, а фазы — синхронизованными. Таким путем была получена мощность около 2 Вт от линейки из 40 лазерных каналов.

В заключение можно сказать, что для приложений полупроводниковые лазеры в настоящее время, по-видимому, играют наиважнейшую роль. Учитывая продолжающееся быстрое развитие этил лазеров, можно ожидать, что их роль в будущем значительно возрастет.[10]

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ru.wikipedia.org›Алфёров
2. http://n-t.ru/nl/fz/alferov.htm
3. Н.С Зефиров (гл. ред.). Химическая энциклопедия. – Москва: Большая Российская Энцеклопедия, 1995. – Т.4. – C. 55. – 639 c. – 20000 экз. – ISBN 5-85270-092-4
4. А. К. Криштафович, В. В. Трифонюк. Основы промышленной электроники. — 2-е изд. — М.: "Высшая школа", 1985. — 287с.
5. Н. И Овсянников Кремниевые биполярные транзисторы: Справ. пособие. — Мн.: "Высшая школа", 1989. — 302 с. — ISBN 5-339-00211-X
6. http://www.portalnano.ru/read/tezaurus/definitions/heterostructure
7. О.Звелто. Принципы лазеров. Издание третье. Мир, 1990
8. В. Мартынов, Г.Кольцов. Полупроводниковая оптоэлектроника. Москва, 1999
9. А. Борейшо. Лазеры: устройство и действие. Санкт-Петербург, 1992
10. http://rudocs.exdat.com/docs/index-247348.html#8127307
11. И. Г. Карапетян, Д. Л. Файбисович, И. М. Шапиро. Справочник по проектированию электрических сетей / Под редакцией Д. Л. Файбисовича. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС 2006 -320 с. ил.
12. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / В. В. Ершевич, А. Н. Зейлигер, Г. А. Илларионов и др.; Под ред. С. С. Рокотяна и И. М. Шапиро. – 3-е изд., перераб. И доп.-М.: Энергоатомиздат, 1985. – 352с.
13. http://ru.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG-лазер

¹ Ленинградский электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина).

² Nd:YAG лазер — твердотельный лазер. В качестве активной среды используется алюмоиттриевый гранат («YAG», Y₃Al₅O₁₂) с добавкам инеодима (Nd).