╥хъёЄ ЁхЇхЁрЄр: ёЄЁрэшЎр 4
2 что соответствует 2испусканию фотонов с различными частотами. _ 22. Естественная ширина линии. 2Согласно принципу Гейзенберга . В двухуровневой 2системе нижний уровень может быть занят электронами неограни- 2ченно долго, следовательно его ширину можно считать пренебре- 2жимо малой. Занятость возбужденного уровня зависит от вероят- 2ности перехода электрона на нижний уровень.Уш 0и 2рение спектраль- 2ной линии,вызванное принципиально неустранимой причиной, какой 2является соотношение неопределенностей, принято называть 2естественной. 2Спад населенности верхнего уровня происходит по тому же 2зако 0н 2у, что и радиоактивный распад, поэтому можно считать, что 2излучение состоит из цугов волн с затухающей амплитудой 2при t>0, и V(t) = 0 при t<0. 2Спектр излучения 2Нижний предел интегрирования в этом случае можно считать рав- 2ным нулю, так как затухающие колебания начинаются в момент 2t=0. Выполнив вычисления, получим: 2Вторым членом в скобках можно пренебречь, так как в его знаме- 2натель входит сумма частот, в то время как в первом члене - 2разность частот. Интенсивность компоненты равна 2Графи 0к 2е функции изображен на рис. 3.2. Такая форма линии 2называется Лоренцевой. Формула (3.6) позволяет найти ширину 2линий на уровне 1/2 от максимума. Она равна , 2т.е. между шириной линии и временем затухания колебания су- 2ществует связь типа соотношения неопределенности. 2Для форм-фактора получаются выражения 2из которых следует, что 2Таким образом, максимальное значение форм-фактора обратно 2пропорционально ширине линии. 2 2- 12 - _ 23. Доплеровское уширение. 2Тепловое движение атомов и молекул в активных средах газо- 2вых лазеров приводит к эффекту Доплера и уширению на порядок 2спектральных линий. 2Как известно , где - частота 2излучения покоящегося атома, дельта ню - изменение частоты при 2эффекте Доплера, - составляющая скорости атома по направле- 2нию наблюдения (рис. 3.3), с - скорость света. 2Распределение по скоростям является Максвелловским 2где m - масса атома, N - число атомов в единице объема. Оче- 2видно, что каждая группа атомов со скоростями в интервале 2дает свой вклад в общее излучение, пропорциональный числу 2атомов в этой группе. Поэтому 2Подставив вместо ее значение из формулы Доплера , получим 2Форма линии, уширенной эффектом Доплера, является Гауссо- 2вой. Удобна для расчетов формула 2Для форм-фактора можно получить выражение 2При Доплеровском уширении каждому интервалу частоты соот- 2ветствует своя группа атомов, а при естественном уширении каж- 2дый атом дает свою уширенную линию. Уширение, аналогичное 2естественному, называется однородным, а аналогичное Допле- 2ровскому - неоднородным. _ 24. Спектры цугов волн. 2Первым примером будет ограниченный во времени отрезок гар- 2монического колебательного процесса изображенный на рис.3.4. 2Примем, что 2Применив преобразование Фурье, получим 2Спектральное распределение интенсивности имеет вид, изображен- 2ный на рис. 3.4. В этом случае целесообразно определить ширину 2полосы частот как интервал между первыми нулями . Тогда 2получим соотношение неопределенности 2Второй пример относится к Гауссовым цугам, когда 2где характеризует длительность импульса. 2Выполнив преобразование Фурье, получим спектр с Гауссовым 2форм-фактором: _ 25. Уширение спектральных линий при столкновении атомов в 2 2- 13 - _ 2газах. 2При обсуждении вопроса о естественной ширине спектральной 2линии мы не вникали в проблему о факторах, определяющих время 2жизни возбужденного состояния. 2Ск 0о 2рость изменения заселенности возбужденного уровня при 2спонтанных переходах подчиняется уравнению 2где - вероятность перехода за единицу времени (коэффициент 2Эйнштейна). Решение дает 2Квантовая механика позволяет вычислить коэффициент Эйнштейна, 2если известны волновые функции возбужденного и нормального 2состояний. 2Мы ограничимся ролью столкновения атомов и молекул в га- 2зах. 2Если считать , что каждое столкновение разрушает возбуж- 2денное состояние, то время жизни его будет определяться време- 2нем между столкновениями. При больших давлениях оно становится 2значительно меньше времени спонтанного распада, и ширина 2спектральной линии будет определяться соотношением неопреде- 2ленности. 2Уширение в результате столкновений находит применение в 2инфракрасных лазерах, перестраиваемых по частоте. 2Мы видели, что характерные времена процессов, вызывающих 2уширение, обратны соответствующим вероятностям. Если все про- 2цессы независимы, то можно записать результирующее характерное 2время в виде 2где в общем случае предполагается наличие уширения верхнего и 2нижнего уровней от различных внешних факторов. Ширину линии 2можно вычислить, считая, что она сохраняет Лоренцеву форму. _ 26. Спонтанное и стимулированное излучение. 2Следуя Фейнману, очень просто получить формулу для средне- 2го числа фотонов в данном состоянии 2Такая же формула была получена при рассмотрении квантового 2осциллятора методом, который применил сам Планк. 2Для преобладания стимулированной эмиссии нужно получить 2неравновесное состояние среды. Рассматривается система с двумя 2уровнями энергии. 2Условие баланса скоростей эмиссии и поглощения фотонов 2получается из предположения, что скорость спонтанного излуче- 2ния пропорциональна числу возбужденных атомов среды в состоя- 2нии с энергией ; введя коэффициент Эйнштейна , запишем ее 2в виде ; скорость поглощения пропорциональна произведе- 2нию числа атомов в нормальном состоянии на плотность энергии 2равновесного излучения , введя коэффициент , запишем 2ее в виде ; скорость стимулированного излучения про- 2порциональна числу атомов в возбужденном состоянии и плот- 2ности равновесного излучения, введя коэффициент , выразим 2ее как 2Из (5.4) найдем 2 2- 14 - 2Учтя, что в соответствии с принципом Больцмана 2получим формулу 2Для совпадения с формулой Планка должны выполняться соот- 2ношения 2Исходя из (5.2), можно найти по времени спада люминисцен- 2ции среды при возбуждении импульсом коротковолнового света или 2электронным лучом. Тогда _ 27. Коэффициенты поглощения и усиления. 2Рассмотрим плоскую электромагнитную волну с частотой , 2распространяющуюся в направлении X, являющуюся одним из типов 2колебаний (мод), которые могут существовать в среде. Определим 2плотность мощности Р(x), поглощаемую в слое dx. В соответствии 2с определением коэффициента В, имеем 2Связь эпсилон(х) и Р(х) дается формулой 2Тогда 2Его решение имеет вид 2где введено обозначение 2Все изложенное относилось к одночастотному излучению, 2спектр которого выражался дельта-функцией. В действительности, 2спектральные линии испускания или поглощения более или менее 2уширены. Поэтому в выражении (5.12) нужно добавить в правой 2части множитель . Таким образом 2В силу условия нормировки форм-фактора 2Совершенно аналогично можно получить формулу для стимули- 2рованного излучения (процесса обратного поглощению), при этом 2получится формула для коэффициента усиления 2В общем случае изменения мощности волны при распростране- 2нии в среде будет выражаться 2Если нас интересует усиление электромагнитной волны, то 2N2>N1. _ 28. Квантовый усилитель бегущей волны. 2Среда с инверсией заселенности энергетических уровней уси- 2ливает электромагнитную волну. По мере роста интенсивности 2 2- 15 - 2волны истощается инверсная населенность, т.е. опустошение 2верхнего уровня самой волной при конечной скорости возбуждения 2внешнего источника.Поэтому экспоненциальный закон сп 0р 2аведлив в 2ограниченном диапазоне интенсивностей, а далее происходит пе- 2реход к насыщению. 2Полупроводниковый усилитель представляет собой кристаллик 2арсенида галия или иного материала, в котором создан р-n пере- 2ход. Его грани имеют антиотражающее покрытие. Как и в лазере, 2подача положительного смещения на р-n переход вызывает инжек- 2цию носителей заряда в область кристалла, где они становятся 2неосновными и сильно неравновесными. В процессе рекомбинации 2носителей заряда возникает излучение с энергией примерно рав- 2ной ширине запрещенной зоны. Если бы грани кристалла действо- 2вали как зеркала, начался 0 2 бы процесс генерации лазерного из- 2лучения. Но этого не происходит: внешний сигнал, вошедший в 2активную область кристалла испытывает усиление за счет стиму- 2лированного излучения. 2Усилители бегущей волны световодного типа представляют со- 2бой отрезки волоконного световода из материала, легированного 2ионами редкоземельных элементов, дающих собственное излучение 2на тех же волнах, как и подлежащие усилению. Возбуждение ред- 2коземельных ионов достигается подсветкой световода полупровод- 2никовым лазером. _ГЛАВА 4.Лазеры (краткий обзор). 2Любой квантовый усилитель входит в режим генерации при на- 2личии достаточной положительной обратной связи. В лазере для 2этого активная среда размещается в интерферометре Фабри-Перо 2(с плоскими или сферическими зеркалами). 2Инвертированная среда при каждом проходе усиливает волну, 2повышая плотность фотонов, причем аксиальные моды (волны с 2волновым вектором вдоль оси) усилятся больше, чем внеаксиаль- 2ные.Поскольку вероятность рождения фотонов пропорциональна ко- 2личеству уже имеющихся, то в итоге останутся только аксиальные 2моды,и из широкой спектральной линии спонтанного излучения вы- 2делится узкая линия стимулированного излучения аксиальной мо- 2ды. 2Встречные волны аксиальных мод образуют стоячую волну. На 2расстоянии между зеркалами должно уложится целое число полу- 2волн(интерферометр с плоскими зеркалами). 2Поэтому интерферометер имеет много собственных частот, соот- 2ветствующих резонансам, которые он и выбирает из широкого кон- 2тура усиления(см.рис.4.3). При достаточно слабой инверсии мо- 2жет остаться только одна центральная мода. 2Условие самовозбуждения лазера. 2где - мощность аксиальной моды "затравочного" спонтанного 2излучения, - мощность аксиальной моды после прохода "ту- 2да и обратно"; - коэффициент усиления средой; - 2коэффициент ослабления; , - коэффициенты отражения зер- 2кал; 2Для самовозбуждения нужно : 2Отсюда 2 2- 16 - 2Основные типы лазеров: 21. гелий-неоновый. Разряд в чистом неоне не может привести 2к инверсии, но атом гелия имеет метастабильное состояние с 2энергией близкой к требуемой для возбуждения атома неона. При 2столкновениях эта энергия передается атомам неона.Возможные 2испускаемые длины волн: 0.63, 1.15 и 3.39 мкм. Мощность пучка 2составляет единицы мВт. Применяются в оптическом приборострое- 2нии, исследовательской работе и метрологии (оптический гиро- 2метр). 22. аргоновый. В отличие от первого мощность излучения 2составляет 500 Вт, но при этом КПД менее 0.1%. Дает несколько 2линий в сине-зеленой части спектра. 23. на парах меди. Дает мощное излучение в желтой и зеленой 2частях спектра. Работает в импульсном режиме. 24. углекислотный. Активная среда - смесь углекислоты, азо- 2та и гелия. Для создания инверсной заселенности энергия от 2возбужденной молекулы азота передается молекуле углекислоты. 2Гелий вводят в смесь для создания высокой теплопроводности 2(т.к. перегрев током разряда при больших мощностях,генерируе- 2мых лазером, затрудняет получение инверсии). Возбужденная мо- 2лекула углекислого газа совершает колебания трех типов. Однов- 2ременно с колебаниями происходит вращение молекулы. Кванты 2вращательной энергии значительно меньше квантов колебательной 2энергии, что приводит к многоуровневому спектру излучения. 2Множество вращательно-колебательных переходов позволяет пе- 2рестраивать лазер по частоте с помощью селективного резонато- 2ра, состоящего из двух неселективных зеркал и дифракционной 2решетки, выделяющей нужную спектральную линию. Спектр излуче- 2ния лежит в области 10.6мкм - 9.6мкм.Существующие лазеры с 2мощностью непрерывного излучения около десятков кВт и им- 2пульсные лазеры с энергией в импульсе в сотни кДж, при КПД до 230%. Используются в машиностроении, лазерных локаторах и даль- 2номерах, для контроля состава атмосферы. 2В конструкции лазера обычно используется замкнутый кон- 2тур, по которому циркулирует газовая смесь, проходящая для ре- 2генерации через устройство для каталитического окисления окиси 2углерода (образуется при разложении углекислоты электрическим 2разрядом). 25. "эксимерный".Активная среда - смесь инертных газов с 2парами соединений, содержащих галоиды. Принцип получения ин- 2версной заселенности заключается в переходе молекулы из устой- 2чивого возбужденного состояния в неустойчивое нормальное, пе- 2рейдя в которое молекула диссоциирует. Создав в смеси условия 2для химической реакции образования молекул типа криптон-фтор, 2ксенон-фтор и т.д.,мы получаем инверсию, т.к. в нормальном 2состоянии таких молекул нет. Образование возбужденных молекул 2идет при сильном электрическом разряде и сжатом газе с добав- 2кой гелия при давлении выше 1 атм., или при облучении сжатого 2газа быстрыми электронами. 2Дают импульсное УФ-излучение. Самое коротковолновое излу- 2чение получается в системе аргон-хлор(175 нм), а самое длинно- 2волновое в системе ксенон-фтор(351 нм). длительность импульсов 210 - 50 нс. Мощность до нескольких ГВт. Используются для изго- 2товления эпитаксиальных пленок полупроводников. 26. лазеры на активированных кристаллах и стеклах: 2- рубиновый: излучение на длине волны 0.69 мкм. 2- на стеклах, легированных ниодимом: для создания 2 2- 17 - 2инверсии активный элемент облучается импульсной лампой белого 2света. Излучение вблизи 1.06 мкм. 2- на сапфире, активированном титаном: может перестраива- 2ться по длине волны в широкой области. _ГЛАВА 6. Полупроводниковые лазеры и их применение. _ 21. .К методам возбуждения электронной подсистемы полупровод- 2ника относятся инжекция через p-n переход,ионизация быстрыми 2электронами и фотоионизация. Основные достижения в области по- 2лупроводниковых лазеров основаны на первом методе. 2Первые инжекционные лазеры были созданы в 1962г. на основе 2арсенида галлия. Их простая конструкция(рис.6.1): пластинку 2арсенида галлия n типа, полученная диффузией цинка, разделяют 2на кристаллики около 1мм; грани,перпендикулярные плоскости p-n 2перехода,служат зеркалами резонатора. Арсенид галлия имеет 2высокий показатель преломления ( 3.7 ), поэтому френелевское 2отражение составляет около 30%. Этого достаточно для получения 2генерации (например, при коэффициенте усиления 22 1/мм и длине 2резонатора 0.4мм усиление составляет 4500). Технологические 2доработки приводят к приборам с исключительно ценным комп- 2лексом качеств: малые размеры области свечения,высокая яркость 2даже при малой мощности излучения, высокий КПД,простота моду- 2ляции излучения током питания, квазимонохроматичность излуче- 2ния и возможность интеграции с другими твердотельными прибора- 2ми на общей подложке. Последнее требуется, например,в прием- 2но-передающих модулях волоконно-оптических систем связи,вклю- 2чающих в себя лазер и фотодиод. Для усовершенствования приме- 2няют полупроводниковые гетероструктуры (системы контактирующих 2на атомном уровне различных полупроводников с неодинаковой 2щелью, но с предельно малым различием постоянных кристалли- 2ческой решетки, напр.:арсенид галлия - арсенид галлия-алюми- 2ния) и квантово-размерные структуры (настолько тонкослойные 2структуры, что движение в них электронов является двумерным). 2С энергетической точки зрения тонкий слой между слоями с 2несколько большей щелью является потенциальной ямой с верти- 2кальными стенками, в которой возникают устойчивые состояния, 2соответствующие стоячим волнам электронной волны. Оптическим 2аналогом квантово-размерной системы является интерферометр 2Фабри-Перо. 2Простейшая структура лазера с одной квантовой ямой изобра- 2жена на рис.6.2. 2Мощность лазеров с гетероструктурами квантовой ямой дове- 2дена до единиц Вт в непрерывном режиме при комнатной темпера- 2туре, КПД достигает 50%.Повышение мощности достигается при по- 2мощи многоэлементных лазерных линеек (решеток). 2Для уменьшения расходимости светового пучка вместо зеркал 2на Френелевском отражении применяются структуры типа дифракци- 2онной решетки, нанесенной на поверхность кристалла. По анало- 2гии с отражением рентгеновских лучей от кристаллов эти дифрак- 2ционные зеркала называются Брэгговскими. Лазеры этого типа - " 2лазеры с распределенной обратной связью". Диаграмма направлен- 2ности их имеет ширину порядка 1 градуса, что существенно упро- 2щает оптическую систему формирования выходного пучка. 2Предыдущее изложение относилось к лазерам на основе арсе- 2нида галлия с щелью 1.47эВ, что соответствует длине волны 20.84мкм. 2Развитие ВОСС потребовало перехода к длинам волн 1.3 - 21.6мкм для уменьшения поглощения волн кварцевым стеклом и 2уменьшения дисперсии. Для этого применяются сложные полупро- 2 2- 18 - 2водниковые системы из 4-х компонентов индий-галлий-фос- 2фор-мышьяк на подложке из фосфида индия. _ 22.Квазиуровни Ферми. Условие инверсии для полупроводников. 2В системе фермионов в равновесном состоянии уровни Ферми 2всех подсистем равны. В сильно неравновесных системах стимули- 2рованное излучение доминирует над спонтанным. Вводя избыточные 2по сравнению с равновесным состоянием носители заряда в С- и 2V- зоны,мы заставляем их занимать более высокие состояния, 2т.к. по принципу Паули нижние уровни уже заняты носителями за- 2ряда. Поэтому в первый момент избыточные носители("горячие") 2не подчиняются распределению Ферми. 2Однако в процессе "остывания" за время порядка 1нс уста- 2навливается распределение Ферми, отличающееся от равновесного 2значением энергии Ферми. После этого избыточные носители су- 2ществуют в зонах в течение времени на несколько порядков боль- 2ше времени остывания. Энергию Ферми для такого состояния назы- 2вают "квазиуровнем Ферми". Очевидно, что квазиуровни Ферми для 2электронов и дырок не совпадают, как в равновесном состоянии. 2Определим условия для положения квазиуровней Ферми при 2преобладании стимулированной эмиссии над поглощением. Для это- 2го рассмотрим баланс переходов из С-зоны в V-зону и обратно. 2Число переходов за 1с пропорционально произведению вероят- 2ностей занятости состояния в С-зоне и V-зоне. Аналогично для 2скорости переходов обратно. Коэффициенты пропорциональности 2одинаковы для переходов "вниз и вверх". Здесь нужно использо- 2вать формулу распределения Ферми-Дирака. При инверсии число 2переходов "вниз" должно быть больше числа переходов "вверх". 2Поэтому условие инверсии 2где и функции, выражающие распределения Ферми для 2электронов соответственно в С- и V-зонах. Введя вместо уровней 2Ферми квазиуровни и , запишем их в виде 2Для выполнения неравенства нужно, чтобы 2Отсюда следует 2Но есть энергия испускаемого фотона, которая не может быть 2меньше ширины щели (при выбранной нами модели собственного по- 2лупроводника). Поэтому 2означающее, что квазиуровни должны быть расположены ниже по- 2толка V-зоны и выше дна С-зоны. 2Полученный результат не содержит информации о количествен- 2ном соотношении скоростей переходов с излучением и поглощени- 2ем. Решение этой задачи дается интегралом 2Этот интеграл аналогичен рассмотренному в главе 5 при рассмот- 2рении спектра спонтанного излучения. Положительный знак ре- 2 2- 19 - 2зультата соответствует преобладанию стимулированных излуча- 2тельных переходов, а отрицательный - преобладанию переходов с 2поглощением. Для непосредственного измерения удобно ввести ве- 2личину эффективной плотности тока : 2где j - плотность тока, - внутренняя квантовая эффектив- 2ность, d - толщина области, где происходит рекомбинация. 2Результаты вычислений баланса излучательных переходов и 2переходов с поглощением и последующих вычислений коэффициентов 2усиления и поглощения изображены на рис.6.3 применительно к 2арсениду галлия. 2Зная коэффициент усиления, можно определить порог генера- 2ции лазерного излучения, когда усиление компенсирует потерю 2излучения. Вблизи порога начнется генерация на одной моде, со- 2ответствующей максимуму усиления, а при увеличении тока нач- 2нется генерация и на других модах, если они не подавляются ре- 2зонатором. _ 23. Условие перехода к генерации. Двойная гетероструктура. 2Для перехода к генерации лазерного излучения нужно обеспе- 2чить положительную обратную связь при помощи резонатора, поз- 2воляющего повысить плотность фотонов для определенных типов 2колебаний (мод) и реализовать принципиальную особенность фото- 2нов, заключающуюся в повышении вероятности рождения фотона 2пропорционально плотности уже имеющихся. Поэтому резонатор 2способствует рождению фотонов, соответствующих по частоте 2собственных колебаний резонатора. Начало генерации обычно 2соответствует максимуму спектрального контура усиления, причем 2появляется одномодовое излучение, а затем при повышении тока 2усиление становится достаточно высоким для начала генерации 2других мод. Спектр приобретает многомодовую структуру, изобра- 2женную на рис.6.4. 2При сильном возбуждении полупроводника без резонатора по- 2является излучение со сплошным спектром (суперлюминисценция). 2Полупроводниковые излучатели, в которых реализуется такой ре- 2жим, называются суперлюминисцентными светодиодами. 2Общее условие перехода к генерации: 2где R1 и R2 - коэффициент отражения зеркал резонатора, l - 2длина резонатора, ?? - коэффициент усиления и ?? - коэффициент 2поглощения на примесях и при рассеянии на неоднородностях. Для 2полупроводникового лазера нужно учесть, что выше порога гене- 2рации связь коэффициента усиления и эффективной плотности тока 2линейна 2Кроме того, следует уменьшить коэффициент усиления факто- 2ром Г ("фактор оптического ограничения") за счет ухода части 2излучения за пределы активного слоя. 2Для снижения пороговой плотности тока нужно уменьшить тол- 2щину активного слоя d и увеличить Г. Эти соображения реализо- 2ваны в гетероструктуре, использующей контактирующие слои по- 2лупроводников с разным химическим составом (арсенида галлия с 2 2- 20 - 2арсенидом галлия-алюминия). 2Очень важно, что показатель преломления у арсенида гал- 2лия-алюминия меньше, чем у арсенида галлия, и на их границе 2может иметь место полное внутреннее отражение. Поэтому слой 2арсенида галлия между двумя слоями арсенида галлия-алюминия 2образует световод. Кроме того, арсенид галлия-алюминия прозра- 2чен для излучения арсенида галлия, т.к. обладает большей шири- 2ной щели. 2Наконец, особенности контакта двух полупроводников с раз- 2ными щелями способствуют накоплению избыточных неосновных 2носителей заряда в активном слое. Этот процесс поясняется на 2рис.6.5. 2Первая диаграмма относится к равновесному состоянию. Вто- 2рая соответствует прямому смещению ( - на n-области). Будем 2считать, что p-область заземлена. Подъем части диаграммы для 2n-области заставит электроны устремиться в p+ -область, обрат- 2ный переход затруднен возникшим потенциальным барьером. Уйти в 2p-область они также не могут, т.к. барьер на границе p+ и 2p-областей сохранился. Дырки в p+ -области также остаются "за- 2пертыми", т.к. их выходу препятствуют барьеры, а на выходе из 2p-области барьера нет. 2Таким образом, двойная гетероструктура создает пространс- 2твенное ограничение для фотонов, заставляя их распространяться 2по световоду в активной области, и для электронов и дырок, 2"запирая" их p+ -области. _ 24. Примеры конструкций полупроводниковых лазеров. 2Примеры конструкций полупроводниковых лазеров приведены на 2рис. 6.1, 6.2, 6.9-6.12. Характерен рис.6.2, где показана 2структура одноэлементного гетеролазера с одним квантово-раз- 2мерным слоем, причем изображен профиль показателя преломления 2в активной области и в ограничивающих слоях гетероструктуры. 2Длина узкой полоски активной области составляет доли мм. 2На рис.6.9 изображена более сложная конструкция лазера с 2активной областью из четверного соединения двух составов, из- 2лучающей на длинах волн 1.18мкм и 1.52мкм. Вышележащий слой 2фосфида индия p-типа и нижележащий слой n-типа образуют вместе 2с активным слоем двойную гетероструктуру. Сама активная об- 2ласть расположена на "столике", который зарощен слоями фосфида 2индия, служащими для предотвращения диффузии избыточных носи- 2телей заряда в боковом направлении. Таким образом, они оказы- 2ваются "запертыми" в пределах активной зоны, что соответствует 2повышению эффективной плотности тока. Рядом показана зависи- 2мость мощности излучения от тока через структуру при различных 2температурах. По шкале оси абсцисс можно судить о величине по- 2рогового тока. 2Рис.6.11 дает представление о конструкции лазера с дифрак- 2ционной решеткой (отражателем Брегга). Решетка наносится не на 2активный слой, а на нижележащий волновой слой. Это делается 2для предотвращения появлений дефектов в активном слое. 2Рис.6.12 изображает схему фазированной решетки из несколь- 2ких лазеров, которые могут обмениваться излучением благодаря 2наличию связей между ними. В результате обмена устанавливается 2общее поле и лазеры начинают излучать в фазе друг с другом, 2что приводит к улучшению диаграммы направленности. _ 25. Применение полупроводниковых лазеров. 2Самый крупный потребитель лазеров - бытовая и специальная 2видеотехника. 2 2- 21 - 2Вторая область массового применения - волоконно-оптические 2линии связи (ВОЛС). Общая структура ВОЛС включает приемо-пере- 2датчики и кабель со световодами, а на длинных линиях еще пов- 2торители-ретрансляторы. Расстояние между ретрансляторами 2достигает 100 км. - такой прозрачностью обладают световоды из 2легированного кварцевого стекла. 2Приемо-передатчики представляют собой модули, содержащие 2лазер, стыкуемый со световодом, фотодиод и электронные мик- 2росхемы. Принципиальная схема изображена на рис.6.13. 2Созданы ВОЛС, в которых используется оптическое усиление 2сигнала. Для этого служит отрезок световода из стекла, легиро- 2ванного ионами примесей, которые возбуждаются излучением по- 2лупроводникового лазера на арсениде галлия. Этот отрезок явля- 2ется усилителем бегущей световой волны сигнала от основного 2лазера-передатчика. 2Среди других применений отметим ряд типов волоконно-опти- 2ческих датчиков различных физических величин. Все эти устройс- 2тва по сути являются волоконно-оптическими интерферометрами, 2регистрирующими разность фаз, которая возникает при воздейс- 2твии внешних факторов на чувствительный элемент. _ГЛАВА 7 _ 21. . При изложении материала о приемниках оптического излу- 2чения будем использовать сокращения: ФП - фотоприемник, ФПУ - 2фотоприемное устройство, ФЭПП - фотоэлектрический полупровод- 2никовый приемник, ТФП - тепловой фотоприемник. 2ФП классифицируются по механизму реакции на излучение, 2т.е. преобразования оптического сигнала в электрический. Фо- 2тонные (квантовые): эл. сигнал возникает при прямом преобразо- 2вании энергии фотона в первичную реакцию ФП (например: фотоди- 2оды, фоторезисторы, фотоэмиссионные приемники, усилители изоб- 2ражения). Тепловые: энергия фотона преобразуется в теплоту, и 2реакция ФП создается в результате повышения температуры его 2чувствительного элемента. 2Принцип действия фотодиодов основан на разделении полем 2контактной разности потенциалов избыточных (неравновесных) не- 2основных носителей заряда, созданных при поглощении фотонов 2(см.рис.5.8). Фототок добавляется к току равновесных неоснов- 2ных носителей. 2Принцип действия фоторезисторов основан на изменении соп- 2ротивления чувствительного элемента при поглощении фотонов. 2Можно конструктивно объединить фоточувствительный элемент 2с предусилителем. Такие приборы называются фотоприемными уст- 2ройствами. Чувствительные элементы ФПУ могут быть сделаны из 2любого материала, применяемого в фотоэлектронике, а электрон- 2ный тракт состоит из обычных кремниевых компонентов. Многие 2ФПУ имеют по одному чувствительному элементу, но большая часть 2применений требует наличия многих чувствительных элементов( 2напр. ФПУ для систем телевидения). 2К фотонным приемникам эмиссионного типа относятся все при- 2боры с внешним фотоэффектом эмиссии в вакуум. Среди них широко 2используются фотоэлектронные умножители(ФЭУ) и электронно-оп- 2тические преобразователи(ЭОП). 2К тепловым фотоприемникам(ТФП) относятся болометры разных 2типов, радиационные термоэлементы и пироэлектрические ТФП. 2Болометры преобразуют оптический сигнал, воспринимаемый 2резистивным чувствительным элементом(ЧЭ), в теплоту. Повышение 2температуры изменяет сопротивление элемента, регистрируемое 2 2- 22 - 2электронной схемой. Часто используются приборы с двумя рядом 2расположенными одинаковыми чувствительными элементами, один из 2которых принимает сигнал, а другой остается неосвещенным. В 2этом случае используется мостовая схема, позволяющая уменьшить 2влияние изменений температуры окружающей среды. Чувствительные 2элементы неохлаждаемых болометров изготовляются из композиций 2оксидов металлов, обладающих полупроводниковыми свойствами, 2или из тонких пленок металлов. В охлаждаемых болометрах 2используются элементы из германия и кремния, легированные при- 2месями. Для повышения коэффициента поглощения излучения на по- 2верхность ЧЭ наносится слой черни. Спектральная область 2чувствительности болометра определяется свойствами черни и 2прозрачностью окна прибора, его можно считать неселективным в 2широкой области спектра. Недостатком болометров является боль- 2шая инертность с характерным временем порядка 1мс. По чувстви- 2тельности к слабым сигналам неохлаждаемые болометры уступают 2фотоэлектрическим ФП на 2-3 порядка. Полупроводниковые боло- 2метры, охлаждаемые до гелиевых температур, имеют очень высокую 2обнаружительную способность. 2Важным фактором, определяющим качество болометра, является 2термический коэффициент сопротивления материала ЧЭ. Были раз- 2работаны сверхпроводящие болометры с очень резкой зависимостью 2сопротивления от температуры в области сверхпроводящего пере- 2хода. 2Пироэлектрические ФП (ПФП) основаны на температурной за- 2висимости поляризации сегнетоэлектрических кристаллов, которые 2обладают постоянной поляризацией. Сигнал ПФП состоит в измене- 2нии плотности заряда на поверхности образца при нагревании. 2Образец пироэлектрика в виде пластинки с электродами на гранях 2подобен заряженному конденсатору. Нагревание пластинки сигна- 2лом излучения изменяет заряд и во внешней цепи проходит им- 2пульс тока. Если сигнал не модулирован, то тока во внешней це- 2пи не будет, т.е. ПФП реагирует только на изменение сигнала. 2ЧЭ для ПФП делаются обычно из триглицинсульфата или танталата 2лития. ПФП имеют большую инертность, чем фотоэлектрические ФП. 2И 0м 2ется возможность 0 2 повысить быстродействие ПФП ценой снижения 2чувствительности. _ 22. Материалы, используемые при изготовлении ФЧЭ фоторе- _ 2зисторов и фотодиодов. 2Успехи современной микроэлектроники в основном связаны с 2хорошо разработанной технологией кремния и отчасти арсенида 2галлия. Для области 3-5мкм одним из основных материалов счита- 2ют антимонид индия. Для области 8-12мкм оптимальным материалом 2является твердый раствор теллуридов кадмия и ртути с составом 20.2 по кадмию. 2В среднем ИК-диапазоне до 10мкм можно использовать ряд 2собственных полупроводников, а в дальнем - примесные полупро- 2водники. В области 8-12мкм пригодны собственный полупроводник 2КРТ и примесный германий с ртутью. _ 23.Конструкция фотоэлектрических полупроводниковых приемников _ 2излучения(ФЭПП). 2Одноэлементные неохлаждаемые ФЭПП в простейшем случае не 2имеют герметизирующего корпуса. ФЧЭ защищается от внешних воз- 2действий тонкой пластин
