Активная среда

В полупроводниковых лазерах в качестве активной среды используют полупроводниковые кристаллы. По своему внутреннему строению полупроводниковые активные среды относятся к твердотельным лазерам, однако излучательные квантовые переходы в них происходят между энергетическими зонами. В полупроводниковых лазерах активными являются атомы, составляющие кристаллическую решетку, поэтому плотность активных частиц в полупроводниковых лазерных элементах на два и более порядков выше, чем твердотельных лазеров, а, следовательно, они имеют больший коэффициент усиления среды на единицу длины. Это дает возможность генерации при длине активного элемента от 0.1 до 1 мм.

Активный элемент полупроводниковых лазерах представляет собой кристалл, обладающий полупроводниковыми свойствами (Например: Арсенид Галлия, Фосфид Тулия, Сурьмянистый Индий и др.) и способны обеспечить инверсные состояния при соответствующем возбуждении. Обычная форма кристалла – параллелепипед с размером сторон в несколько мм. Две противоположные грани получаются либо полирование, либо скалыванием перпендикулярно оси кристалла и образуют резонатор полупроводникового лазера.

В силу плоской конфигурации резонатора требования к полировке и взаимной параллельности двух выходных граней очень высоки. Другие грани шероховаты или делаются под некоторым углом друг к другу, чтобы исключить возможность паразитной генерации.

Свойства излучения полупроводниковых лазеров определяются, в основном, активной средой, т.е. полупроводником. Высокая плотность активных частиц нарушает когерентность и монохроматичность излучения и, следовательно, по этим параметрам полупроводниковые лазеры имеют худшие из всех лазеров показатели в сравнении с газовыми и твердотельными. Кроме того степень монохроматичности в лазере определяется тем, что лазерный переход возникает между широкими энергетическими зонами, ширина которых существенно зависит от концентрации примесей и температуры. Эти изменения могут проходить в процессе генерации излучения, когда температура кристалла может достигать значения сотен и даже тысяч Кельвин.

Характерный вид активного элемента инжекционного полупроводникового лазера.

Излучающей областью полупроводникового лазера – является p-n переход – весьма узкий участок кристалла. Расходимость лазерного пучка определяется дифракцией и у полупроводниковых лазеров диаграмма направленности носит сложный характер.

Расходимость по двум взаимно перпендикулярным осям обратно пропорциональна толщине и ширине p-n перехода.

У полупроводникового лазера не симметричный пучок – эллипс.