 |
InGaP (фосфид галлия - индия )
|
|
|
|
GaN (нитрид галлия)
InGaAs (арсенид галлия - индия)
GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)
InP (фосфид индия)
GaInP (фосфид галлия-индия)
Перечисленные полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Для трех- и четырехкомпонентных проводников энергия запрещенной зоны может непрерывно существенно изменяться в некотором диапазоне. В AlGaAs = AlxGa1-xAs, например, повышение содержание алюминия (рост х) приводит к уширению запрещенной зоны.
Помимо вышеупомянутых неорганических полупроводников, могут также использоваться органические полупроводниковые соединения для полупроводниковых лазеров. Соответствующая технология еще молодая, но она бурно развивается, так как перспективы дешевого и массового производства таких лазеров весьма привлекательны. До сих пор были продемонстрированы органические полупроводниковые лазеры только с оптической накачкой, так как по разным причинам трудно достичь высокой эффективности за счет электрической накачки.
Типы полупроводниковых лазеров:
Существует большое разнообразие различных полупроводниковых лазеров, охватывающих широкие области параметров и используемые в различных областях применений.
Несмотря на то, что можно создать полупроводниковый лазер с практически любой длиной волны в диапазоне от ближнего УФ до ближнего ИК, существует стандартный набор длин волн, лазеров, оптимизированный для различных применений.
|
|
|
Например, накачки твердотельных лазеров и волоконных лазеров, легированных ионами Nd / Yb / Er / Tm (808nm, 915nm, 938nm, 976nm, 980nm, 1064nm, 1470nm, 1540nm), рамановской спектроскопии и др.
Различные типы полупроводниковых лазеров
Небольшие лазерные диоды порядка нескольких милливатт (или до 0,5 Вт) выходной мощности в пучке, с высоким качеством пучка. Они используются в лазерных указках, проигрывателях компакт-дисков и для оптической волоконной связи.
Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором (ECDL - External cavity diode lasers) содержат лазерный диод в качестве активной среды в более длинном лазерном резонаторе. Зачастую они могут быть перестраиваемыми по длине волны, и обладать узкой линией излучения.
В монолитных лазерных диодах, а также в лазерах ECDL (с внешним резонатором) малой мощности также может быть осуществлена синхронизация мод для получения сверхкоротких импульсов.
Большое количество лазерных диодов способны генерировать до нескольких ватт выходной мощности, но качество пучка уже будет значительно хуже.
Мощные диоды объединяют в массив с большой площадью излучающей области. Они могут генерировать десятки ватт излучения, но с плохим качеством пучка.
Диодные линейки, содержащие множество диодов, объединяют один массив и используют их для получения чрезвычайно высоких степеней мощности порядка сотен или тысяч ватт.
Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs), излучают в направлении, перпендикулярном пластине, обеспечивая несколько милливатт мощности с высоким качеством пучка.
Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs) с оптической накачкой и внешним резонатором (VECSELs) способны генерировать несколько ватт выходной мощности с отличным качеством пучка, даже в режиме синхронизации мод.
Квантово-каскадные лазеры работают на внутризонных переходов (а не межзонных переходах) и, как правило, излучают в средней инфракрасной области, иногда терагерцового диапазона. Они используются в спектроскопии для для газового анализа, для подсветки в среднем ИК диапазоне и т.д
|
|
|
Основные свойства фотонов
• Распространение света (например, в свободном пространстве или в волноводе) описывается волновым полем. Амплитуда квантово-механического поля, возникающая в некоторой точке пространства и в некоторый момент времени – это суперпозиция состояний, которым соответствует различные возможные пучки света. Эти пучки могут интерферировать друг с другом конструктивно или деструктивно, что проявляется в возникновении хорошо известных оптических интерференционных эффектов.
Простое изображение частицы трудно согласовать с наблюдениями. Так, например, в классическом эксперименте с двумя щелями, обычная частица должна будет пройти через одну из двух щелей, а другая щель в этом случае должна быть просто неуместна. Волновая теория не может объяснить, почему частицы могут достигать определенных мест за двойной щелью только тогда, когда одна из щелей закрыта, но не тогда, когда обе открыты (деструктивная интерференция).
• Когда свет взаимодействует с атомами или другими частицами, к световому полю или от светового поля может быть передано только то количество энергии, которое является целым кратным энергии фотона hν. Это можно легко истолковать как поглощение или испускание некоторого числа фотонов. Такие процессы возможны только тогда, когда частицы (например, атомы) в состоянии принять такое количество энергии, то есть, если они имеют квантово-механические энергетические уровни с разностью энергий, соответствующей энергии фотонов, или когда частицы обладают целым кратным числом соответствующей энергии (→ двухфотонного поглощения). Волновая теория может объяснить эти энергетические ограничения как резонансные эффекты, но не может объяснить квантование энергий.
• Квантование энергии также проявляется во взаимодействии с фотоприемнками высокой чувствительности, которые позволяют считать фотоны (см. фотоэлектронные умножители), то есть для регистрации отдельных событий поглощения фотона. Это находит применение в различных областях науки и техники.
|
|
|
• Фотоны обладают нулевой массой покоя, поэтому не могут быть замедлены или доведены до состояния покоя. Существуют явления ”медленного света”, но такие явления встречаются только в среде, где электромагнитное поле сильно взаимодействует с веществом. Эффект «медленного света» не может быть объяснен только в рамках описания электромагнитной волны.
• По своей природе фотоны являются бозонами, то есть несколько фотонов (в отличие от электронов) как бы заполняют определенным образом одну и ту же моду излучения. Это видно, например, в процессе вынужденного излучения (что очень важно для лазеров), но также и в энергетическом спектре теплового излучения (излучение абсолютно черного тела).
• Фотоны могут встречаться в связанных состояниях (entangled states), где определенные свойства (например, поляризация) сопоставляются между различными фотонами, даже если эти свойства получают определенные значения, но только тогда, когда производилось измерение. Благодаря возможности измерения связанных фотонов в различных местах пространства, создается впечатление, что возможна сверхсветовая передача информации (парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена), но при ближайшем рассмотрении видно, что в действительности это не так.
Конечно, квантовая теория может быть применена к любому виду электромагнитных волновых явлений, а не только к видимому свету. Впрочем, квантовые эффекты не так важны, например, в области радиотехники, как в области оптики и лазерной техники. Это потому, что энергия фотона в радиоволне очень небольшая по сравнению с тепловой энергией kT при комнатной температуре, тогда как обратное верно для оптических явлений.
В лазерной физике, зачастую рассматривается случай распространения фотонов в среде, например, в прозрачных кристаллах или стеклах, включая лазерную активную среду. Строго говоря, название «фотон» не объясняет, как электромагнитные волны взаимодействуют с такими средами, и то, что распространяются в таких средах как квази-частицы, которые иногда называют поляритонами, напоминающие связанные возбуждения электромагнитного поля и поляризуемой среды.
|
|
|
Фонон
Согласно квантовой механике, микроскопические колебания (звуковые волны) в твердых средах квантуются. Это означает, что колебательная энергия в таких средах может быть преобразована только в виде так называемых фононов, энергия которых определяется произведением постоянной Планка h на частоту фонона.
Фононы имеют важное значение для физики твердотельных лазеров:
Фононы приводят к очень быстрым переходам между различными штарковскими подуровнями, и, следовательно, к быстрой термализации подуровней, а также к существенному увеличению времени жизни.
Фононы, особенно, в вибронных лазерах, могут сильно увеличить ширину полосы усиления кристалла.
Они могут вызвать многофононные переходы между штарковскими уровнями (тушение), что в некоторых случаях может снизить КПД лазера, а в других случаях стать неотъемлемой частью работы лазера.
Фононы участвуют в рамановском рассеянии и рассеянии Мандельштама – Бриллюэна, где падающий фотон превращается в фотон с более низкой энергией, а разность энергий фотонов отдается фонону.
|
|
|
