X. Полупроводниковые лазеры

Введение

Исследования оптических свойств полупроводников и развитие технологий, происходивших на протяжении последних 50 лет, привели к созданию лазеров, обладающих уникальными свойствами. Полупроводниковые лазеры с размерами в доли миллиметра позволяют получать киловаттные мощности непрерывного излучения. При этом кпд полупроводниковых лазеров достигает 40%, а срок службы – многие годы непрерывной работы. Именно поэтому в настоящее время происходит революция в лазерной технике, связанная с созданием лазерных систем на основе полупроводниковых лазеров. Многие типы лазеров, в особенности газовые лазеры видимого и ИК диапазонов, постепенно вытесняются лазерными приборами с диодной накачкой, в которых происходит многократное преобразование частоты.

Широкие применения в основном в области информационных технологий уже нашли сравнительно маломощные милливаттные лазеры, которые выпускаются промышленно многими миллионами экземпляров.

Создание устойчиво генерирующих фемтосекундных лазеров стало возможным именно после создания непрерывно работающих неодимовых лазеров с диодной накачкой, эффективно генерирующих вторую гармонику на длине волны 530 нм. Здесь для накачки необходимы полупроводниковые лазеры, непрерывно генерирующие уже десятки Ватт. Только после этого стало быстро развиваться новое направление в лазерной физике – фемтосекундные технологии.

Разработки волоконных лазеров с диодной накачкой и непрерывной мощностью излучения в несколько киловатт по-видимому приведут, по мере удешевления таких приборов, к революции в промышленном конвейерном машиностроении.

Первые полупроводниковые лазеры, созданные в 60-е годы, не внушали большого оптимизма. Перспективы улучшения их характеристик и получения хотя бы миливаттных мощностей излучения казались призрачными. Лазеры работали при температуре жидкого азота и более низких температурах, пороговые плотности тока превышали 10³ А/см²_, а кпд был крайне низок. Интерес к исследованиям полупроводниковых лазер к 1965 г. начал падать.

Замечательный прогресс был достигнут, когда полупроводниковые лазеры начали создавать на основе гетеропереходов. Появились лазеры на двойной гетероструктуре с раздельным электронным и оптическим ограничением. Это позволило получить непрерывную генерацию при комнатной температуре и открыло широкие перспективы дальнейшего совершенствования полупроводниковых лазеров. Первое сообщение о таком лазере было опубликовано Ж.И. Алферовым с сотрудниками в 1970 г. [1].

Существенным недостатком первых полупроводниковых лазеров была их деградация. С течением времени в волноводной структуре лазера накапливались дефекты решетки, приводящие к постепенному росту порогового тока накачки и уменьшению мощности генерации. Дефекты решетки возникают под действием тока накачки и лазерного излучения.

Этот недостаток был преодолен после внедрения технологий сверхрешеток, произошедшего в 90 гг. Каждый из слоев многослойной лазерной гетероструктуры стали изготавливать в виде последовательности сверхтонких пленок, имеющих толщину, составляющую несколько нанометров. В таких структурах дефекты решетки могут перемещаться только вдоль слоя, и возможности для их накопления и размножения резко сократились. В результате появились лазеры, способные работать многие годы без существенной деградации. Именно с полупроводниковыми лазерами связан дальнейший стремительный прогресс в области лазерной и информационной техники.