Лазерный мир

Радиолюбители часто пытаются с той или иной степенью успешности использовать в своих конструкциях полупроводниковые лазерные излучатели видимого и ИК спектра. Лазерный диод внешне кажется довольно простым полупроводниковым прибором. Ему не нужно ни высоких напряжений, ни колоссальных токов. Он на первый взгляд похож на светодиод: пропустил через него ток — получил на выходе излучение. Тем не менее, в использовании полупроводниковых лазеров кроется некоторое количество подводных камней, игнорирование которых ведет прежде всего к снижению их надежности, к быстрой деградации выходной мощности и качества пучка, а нередко и к мгновенному выходу из строя еще до первого включения. В этой статье я хотел бы обратить на эти подводные камни внимание.

Структура лазерного диода напоминает обычный светодиод, и в сущности им же и является. Двойная гетероструктура, гетероструктура с квантовыми ямами и квантовыми точками — все эти типы светоизлучающих полупроводниковых структур применяются и в современных высокоэффективных светодиодах. Задачи у этих структур в светодиоде и лазере отличаются: в первом нужно за счет рекомбинации получить излучение само по себе, во втором — инверсную заселенность, превращающую полупроводник в активную среду, усиливающую свет. Тем не менее, решаются они почти одинаково. Первые полупроводниковые лазеры, созданные в 1962 году американцами Робертом Холлом и Ником Холоньяком и советскими учеными Николаем Басовым, Олегом Крохиным и Юрием Поповым, были сделаны на основе обычного pn-перехода на арсениде галлия, излучающего свет в ближней инфракрасной области, и на арсениде-фосфиде галлия — видимый красный свет. Из-за низкой эффективности такие лазеры работали лишь при чудовищной плотности тока, только в импульсном режиме и при охлаждении до криогенных температур, что не только спасало кристалл от расплавления, но и повышало эффективность преобразования энергии тока в энергию возбужденных состояний и удлиняло время их жизни, что облегчало получение инверсной заселенности.

Оптический резонатор

Размеры активной зоны на основе полупроводникового кристалла чрезвычайно малы и встроить его в традиционный оптический резонатор из зеркал и линз было бы очень сложно, а еще сложнее — отъюстировать эту оптическую схему. Тем не менее, первый лазерный диод был создан практически сразу же после изобретения светодиода, и помогло в этом полезное свойство кристаллов арсенида галлия — совершенная спайность. Этим понятием называют способность некоторых кристаллов легко раскалываться по параллельным плоскостям, совпадающим с определенными кристаллографическими гранями. Если кристалл совершенен, имеет низкую плотность дислокаций и лишен блочного, мозаичного строения, эти сколы совершенно плоски, атомно гладки (за исключением отдельных ступеней) и абсолютно параллельны друг другу. А в силу высокого показателя преломления эти грани хорошо отражают свет. Эти два параллельных скола, перпендикулярные плоскости активной зоны диода, и образуют резонатор. Оптические свойства двойной гетероструктуры, являющейся по сути волноводом, способствуют снижению потерь света в резонаторе. В современных лазерных диодах волновод формируют в кристалле умышленно, вводя дополнительные слои с более высоким показателем преломления относительно активного слоя.

В типичном лазерном диоде толщина активной зоны, в которой происходит генерация света, лежит в субмикронной области. А ее ширина может составлять от единиц микрон в маломощных (от долей милливатта до 100-200 мВт) одномодовых лазерах, до 250-1000 мкм в многомодовых излучателях с выходной мощностью, достигающей десятка ватт. И на выходе из кристалла, на зеркале резонатора, плотность мощности достигает чудовищных значений. Даже в обычной лазерной указке, при выходной мощности 1-5 мВт это свыше 100 кВт/см², а в более мощных лазерных диодах плотность излучения может превышать 20МВт/см². При такой облученности легко испаряется и превращается в плазму сталь, а грань кристалла выдерживает ее исключительно в силу своего идеального совершенства, из-за которого световая энергия большей частью проходит через поверхность, не поглощаясь и не нагревая ее.

Полное содержание статьи на https://habr.com/ru/post/589009/