Лазер, появившийся лет сорок назад как некий таинственный, экзотический лабораторный прибор, сегодня стал настолько привычным инструментом, что его, в виде лазерной указки, сделанной на основе полупроводникового лазера, можно купить даже в ларьках, торгующих разной мелочевкой — игральными картами, брелоками для ключей, газетами и гороскопами на текущий год. Но, несмотря на столь сомнительное соседство, лазер остается результатом глубокого осмысления теории строения вещества и продуктом высоких технологий. Полупроводниковый лазер придумали в 1962-м независимо и одновременно несколько американских исследователей (Р. Холл, М. И. Нейтен, Т. Квисти др.), хотя теоретическое обоснование его работы дал Н. Г. Басов с сотрудниками еще в 1958 году. Наиболее распространенным лазерным полупроводниковым материалом долгое время оставался арсенид галлия GaAr. Но в последнее время все чаще делают лазеры на гетероструктурах — тонких слоях различных по составу полупроводников. Огромный вклад в их создание внесли работы академика Ж. И. Алферова и его сотрудников (см. «Наука и жизнь» № 4, 2001 г.). Посмотрим, как работает активное вещество полупроводникового лазера.
Устройство лазерной указки. Источником питания (1) служат три соединенные последовательно миниатюрные батарейки с ЭДС 1,2 вольта каждая. Электронная схема (2) с кнопкой включения смонтирована в середине корпуса и подключена к лазерной головке (3). Лазерное излучение имеет длину волны от 630 до 680 нанометров (нм) и мощность менее одного милливатта. Линза (4) фокусирует его в тонкий луч.
Активная полупроводниковая среда имеет зону проводимости с избыточным количеством свободных электронов и валентную зону, где недостающие электроны заменены дырками. При рекомбинации электронов с дырками возникает когерентное излучение. Электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней — зоны проводимости — так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя пустое место — дырку. И если электрон с энергией Е самостоятельно (спонтанно) возвращается обратно в зону проводимости, происходит его рекомбинация с дыркой, имеющей энергию Е. При этом происходит излучение из запрещенной зоны фотона частотой ω = (Е - Е )/h. Поскольку ширина запрещенной зоны невелика, полупроводниковый лазер излучает в сравнительно узком интервале частот. А применение различных полупроводниковых материалов позволяет получать излучение в диапазоне от ближнего ультрафиолета (λ = 300 нм) до инфракрасного света длиной волны более 40 мкм (1 мкм = 1000 нм).
Активный элемент полупроводникового лазера представляет собой брусок монокристалла объемом несколько десятков кубических миллиметров, а его излучающая часть — полоску длиной от 100 до 300 микрон. Из-за чрезвычайно малой длины излучателя лазерный луч сильно расходится — на угол до 40°. Накачку полупроводникового лазера чаще всего осуществляют постоянным электрическим током напряжением не более 3 вольт (при этом до 0% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат зеркальные грани кристалла полупроводника (их не полируют, а получают, раскалывая монокристалл). Миниатюрные размеры полупроводниковых лазеров, долговечность (до 100 тысяч часов безотказной работы) и довольно высокая мощность излучения (1—3 мВт) делают их незаменимыми в устройствах оптической записи и считывания информации, системах оптоволоконной связи, геодезической аппаратуре других областях техники. Но только лазерная указка дает возможность любому взять в руки это удивительное устройство — полупроводниковый лазер. В лазерной указке нередко имеются два полупроводниковых диода: сам лазер и светодиод. Они смонтированы в единый блок с тремя выводами — от катода лазерного диода, анода светодиода и общий. Фотодиод создает отрицательную обратную связь в цепи питания лазера, поддерживая постоянной интенсивность его излучения. Связь эта осуществляется оптически: лазерный луч освещает фотодиод, который вырабатывает ток смещения, управляющий транзистором в цепи питания лазера. Если интенсивность луча возрастает, устройство уменьшает силу тока, проходящего через лазер, если падает — увеличивает ее.
Лазерная головка. В ней, как правило, кроме самого полупроводникового лазера имеется еще и фотодиод, который вырабатывает сигнал отрицательной обратной связи и стабилизирует интенсивность излучения. На выходе луча стоит линза, компенсирующая его расходимость, поэтому на расстоянии 10—15 метров размер светового пятна оказывается порядка сантиметра.
Лазерные указки могут пригодиться не только лекторам и докладчикам. Их используют для демонстрации опытов по интерференции и дифракции света, применяют в самодельных охранных устройствах и линиях оптической связи... Или просто играют с кошкой, которая азартно ловит световой зайчик. Но обязательно нужно помнить, что это все- таки не игрушка. Лазерный луч ни в коем случае нельзя направлять в глаза — можно сильно испортить зрение.
Приложение
Таблица 1. Обычные источники излучения
Тип/принцип
Специальные источники света
Характеристика излучающей среды
Лампы со сгоранием топлива / Химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в горелке в свет (ударное возбуждение)
Свеча
Свеча Гефнера
Ацетиленовая Лампа
Лампа на нефтяном светильном газе
Керосиновая лампа
Лампа на пропане,
Газовая лампа
Электрические лампы / Электрическая энергия преобразуется в свет
Лампы накаливания
Газоразрядные лампы:
Угольная дуговая лампа
Лампа тлеющего разряда
Газоразрядная лампа, наполненная инертным газом
Лампа с разрядом в парах металлов
Газосветные лампы
Люминесцентная лампа
Комбинированная лампа смешанного цвета
Тепловые излучатели – металлы оксиды
Селективный излучатель – воздух
Селективные излучатели – He, Ne
Селективные излучатели –Xe, Kr
Селективные излучатели – Hg, Na
Селективные излучатели – N, CO2, Ne, He, Hg
Селективные излучатели – люминофоры
Тепловое и селективное излучение (объединенные лампы накаливания и газоразрядной лампы)
Таблица 2. Источники лазерного излучения
Тип/принцип действия
Специальные лазеры
Активная среда
Твердотельные лазеры
Создание инверсной заселенности путем облучения электромагнитным излучением (оптическая накачка) и тем самым возбуждение специальных ионов в кристаллах и стеклах
Рубиновый лазер
лазер на стекле с неодимом
Сг3+
Nd3+
Газовые лазеры
Создание инверсной заселенности путем ударного возбуждения атомов и молекул в газовом разряде
Полу проводниковые лазеры
Создание инверсной заселенности за счет протекания тока в р-n-переходе
GaAs-лазер
In As-лазер
InP-лазер
РЬТе-лазер
Полупроводниковые кристаллы, легированные Zn, Те и другими элементами
Лазеры на красителях
Создание инверсной заселенности оптической накачкой красителе й
Непрерывный лазер на красителе
Лазер на красителе с ламповой накачкой
Наносекундный
лазер на красителе
Органические красители
Лазеры на свободных электронах
Преимущественно вынужденное излучение отклоненного электронного пучка благодаря определенным фазовым соотношениям между электронами и полем излучения
-
Пучок релятивистских электронов
Таблица 3. Материалы полупроводниковых лазеров и их длины волн генерации (х, у обозначают процентную долю элемента в твердых растворах)
Соединение
Основной материал
Длина волны генерации.
мкм
Метод возбуждения
оптический
электронный пучок
инжекция
электрический пробой
Бинарные
Соединения
AIIIBV
GaN
GaAs
GaSb
InP
InAs
InSb
0.36
0,82—0,92
1,5-1.8
0,89-0,91
3,0-3,2
4,8-5,3
X X X X X X
X X
X
X
X X X X X
X
X
Тройные
соединения
типа
AIIIBV
GaxIn1 – xP
GaxIn1 – xAs
GaPxAs1 – x
GaAsxSb1 – x
AlxGa1 – xAs
AlxGa1 – xSb
InPxAs1 – x
InAsxSb1 – x
Встроенный скачок показателя преломления, например BHS-лазер
Ватт-амперная характеристика
Дальнее поле
Боковое вертикальное:
Спектр (непрерывный режим)
Пороговый ток (длина резонатора L=200:400мкм)
50—120 мА
10— 160мА
Астигматизм
Сильно выражен
Очень мал
Чувствительность относительно» оптической обратной связи
Незначительная
Сильная
Таблица 6. Типичные параметры лазерных диодов на простой гетероструктуре на основе AlGaAs/GaAs
Параметр
Значение
Длительность импульса т, нс
Коэффициент заполнения (периода импульса), %
Длина волны λ нм:
Выходная мощность Р, Вт
Рабочий ток (максимальный) IFM, А
Пороговый ток /s, А
Напряжение Vfm, В
Излучаюшая поверхность, мкм:
длина
ширина
Спектральная ширина полосы ∆λ, нм
0,01
3-12
20-60
6-18
11-16
120-350
4,5
Типичные параметры многокристального устройства (блок из двух-трех кристаллов)
Выходная мощность Р, Вт
Рабочий ток (максимальный) IFM, А
Пороговый ток /s, А
Напряжение Vfm, В
Излучаюшая поверхность, мкм:
длина
ширина
Спектральная ширина полосы ∆λ, нм
17-33
40-60
12-18
16-26
230-350
120-230
Таблица 7. Характеристики инжекционных лазеров
Структура
Режим работы
Излучаемая мощность, мВт
КПД, %
Примечание
DHS (ДГС)
SHS (ОГС)
LOC-DHS
(LOC-ДГС)
Непрерывный
Импульсный
<<10
≈103
≈103
<<1
≈10
<<20
T=300K возбуждает основной тип колебаний
Т=300K, частота повторения импульсов несколько килогерц, длительность импульса около 1мкс.
Т=300К, длительность импульса около 1 мкс, частота повторения импульсов несколько килогерц
Определение постоянной Планка
Цель эксперимента: определение постоянной Планка на основе измерения напряжения включения полупроводникового лазера и длины волны излучаемого им света.
Оборудование:
· Платформа с лазером и схемой питания
· Линейка с магнитами
· Дифракционная решетка
· Метр демонстрационный
· Цифровой вольтметр демонстрационный
Как известно, разрешенные значения энергии электронов в атоме отделены друг от друга широкими областями запрещенных энергий. При объединении атомов в твердое тело энергетические состояния электронов изолированных атомов изменяются. Вместо разрешенных энергетических уровней возникают энергетические полосы, или зоны разрешенных значений энергии, которые по-прежнему остаются отделенными друг от друга областями, соответствующими запрещенным значениям энергии. В наибольшей степени это касается внешних, валентных электронов, которые слабее связаны со своими ядрами.
Подобно тому, как в изолированном атоме электроны могут совершать переходы между энергетическими уровнями, электроны в кристаллах могут переходить из одной зоны в другую. В примесных полупроводниках, как электронных, так и дырочных, такой переход осуществляется под воздействием электрического поля источника тока. Обратный процесс перехода электрона может сопровождаться излучением кванта света.
Излучение света при переходе электрона из состояния с более высокой энергией в состояние с меньшей энергией лежит в основе работы светодиодов и полупроводниковых лазеров.
Для того чтобы электрон мог совершить переход в разрешенное состояние с более высокой энергией, он должен приобрести в электрическом поле энергию, равную ширине запрещенной зоны. Энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле, составляет eU. Энергия фотона hν, излучаемого при обратном переходе электрона в нижнее энергетическое состояние также приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Таким образом, можно записать, что hν=eU, где h - постоянная Планка, ν - частота света, излучаемого полупроводниковым переходом, е - заряд электрона, U- напряжение, приложенное к р-n-переходу.
Таким образом, для определения постоянной Планка необходимо измерить длину волны излучаемого полупроводниковым прибором света и измерить напряжение, при котором p-n-переход начинает излучать световые кванты.
В предлагаемом эксперименте длина волны излучения определяется с помощью дифракционной решетки с известным числом штрихов (150штр./мм, точное значение периода указано на оправке дифракционной решетки). Если падающий луч перпендикулярен поверхности решетки (угол падения равен нулю), то длина волны излучения λ, период решетки d, угол φ и порядок дифракции n связаны соотношением: dsinφ=nλ
