Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 44 (всего у книги 52 страниц)
Р�зучением полупроводниковых соединений, особенно арсенидом галлия, занимались также РІ General Telephone and Electronics Laboratories (GT&E). Здесь работала РіСЂСѓРїРїР° РЎ. РњСЌР№Р±СѓСЂРіР°. Р’ марте 1962 Рі. РѕРЅ представил РЅР° заседании Американского Физического Общества работу РїРѕ электролюминесценции GaAs РґРёРѕРґРѕРІ РїСЂРё 77 Рљ, С‚.Рµ. излучение этих РґРёРѕРґРѕРІ, охлажденных РґРѕ температуры жидкого азота, РїСЂРё пропускании электрического тока. Было показано, что РїСЂРё определенных условиях почти каждый заряд, инжектированный через p-n-переход, дает фотон. Рто был результат, аналогичный тому, что получил Мейман для СЂСѓР±РёРЅР° (высокая квантовая эффективность) Рё указывал, что p-n-переходы являются идеальной системой, для получения лазерного эффекта.
Р–. Панков РёР· RCA провел 19561957 РіРі. РІ Париже, работая СЃ РРіСЂСЌРЅРѕРј. Возвратившись РёР· Франции, РѕРЅ начал исследования, РЅРѕ без финансовой поддержки, поскольку начальство РЅРµ рассматривало полупроводниковые лазеры выгодным объектом. Р’ январе 1962 Рі. РЅР° конференции Американского Физического Общества Панков РѕР±СЉСЏРІРёР» Рѕ наблюдении рекомбинационного излучения РёР· переходов арсенида галлия. РњСЌР№Р±СѓСЂРі почувствовал, что его РјРѕРіСѓС‚ опередить, Рё СѓРґРІРѕРёР» усилия.
В IBM, после семинара с Мэйбургом, теоретик Г. Лашер стал изучать вопрос, как сделать резонатор для полупроводникового лазера, а в то же время в соседней лаборатории в Йорктаун Хейтс М. Думке стал размышлять, как сделать лазер на арсениде галлия.
В июле 1962 г. результаты Мэйбурга обсуждались на Конференции по исследованиям твердотельных устройств в университете Нью-Гемпшира и Р. Кейс и Т. Квист из MIT сообщили, что они создали диоды арсенида галлия с люминесцентной эффективностью, которую они оценивают в 85%. Панков в мае представил подобные же результаты на другой конференции. В MIT люминесценция, излучаемая диодом, использовалась для передачи телевизионного канала, о чем было сообщено в New York Times.
На этом этапе четыре группы пустились в гонку. Р. Холл из GE принимал участие в конференции в Нью-Гемпшире и был поражен представленными результатами. На него сильное впечатление произвела высокая эффективность излучения p-n-переходов арсенида галлия, и, возвращаясь, он еще в поезде стал делать расчеты и размышлять, как получить резонатор ФабриПеро. �дея была: взять p-n-переход, обрезать и отполировать его грани. Холл был астрономом-любителем и в школе сам построил телескоп, он знал, как можно отполировать оптические компоненты. В настоящее время резонаторы полупроводниковых лазеров получают скалыванием кристалла в нужном направлении, но в то время он не знал о такой методике. После некоторых обсуждений он получил разрешение начальства начать работу над проектом. Принципиальной трудностью было изготовление перехода GaAs, который должен был удовлетворять определенным критериям, а именно, сильно допирован. Вторая трудность была вырезать и отполировать грани так, чтобы они были параллельными друг другу. Затем следовало пропустить очень большой ток через переход, чтобы инжектировать достаточное число электронов. Ток должен был быть в виде импульса с короткой длительностью, чтобы не расплавить образец. Чтобы предотвратить чрезмерный рост температуры, следовало использовать охлаждение жидким азотом (77 К).
Хотя Холл был последним, включившимся в гонку, он оказался первым, правда на короткое время, и получил в сентябре 1962 г. первый лазерный диод. Бернард (из Франции) несколько раз посещал лабораторию Холла, обсуждая возможность полупроводниковых лазеров. Во время одного из визитов он появился как раз, когда группа Холла получила результат, но еще не оформила его для публикации. Поэтому достижение держалось в секрете. У Холла возникла проблема, как обсуждать возможность сделать лазер, не сообщая Бернарду, что он уже работает в соседней комнате.
Конференция в Нью-Гемпшире вдохновила также Н. Холоньяка из GE, эксперта по арсениду галлия. Когда первый диод заработал, почти одновременно несколько групп объявили о лазерном действии на p-n-переходах GaAs. Во всех случаях использовалось охлаждение до 77 К, а накачка производилась импульсами тока высокой интенсивности с короткой длительностью (несколько микросекунд). О лазере группы GE было объявлено в работе от 24 сентября 1962 г.; о втором лазере группы М. Натана из IBM Йорктаун Хейтс было объявлено 4 октября; а о третьем из Линкольновской лаборатории MIT 23 октября. Холоньяк сообщил о своем лазере 17 октября. Все эти лазеры были сделаны на переходе арсенида галлия, охлаждались жидким азотом, и накачивались интенсивными импульсами тока длительностью несколько микросекунд.
Устройство Холла (рис. 60) представляло куб со стороной 0.4 мм, с переходом, расположенным в горизонтальной плоскости, в центре. Передняя и задняя грани были отполированы параллельно друг к другу и перпендикулярно к плоскости перехода, образуя резонатор ФабриПеро (арсенид галлия обладает высоким показателем преломления, поэтому френелевское отражение на границе полупроводниквоздух дает достаточно высокий коэффициент отражения). При такой геометрии получается относительно длинный путь в области перехода, где инжектированные носители рекомбинируют и испускают свет, распространяющийся взад-вперед между отполированными гранями (зеркалами резонатора). Лазер работал при подаче импульсов тока длительностью 520 мкс, причем полюс тока подавался на p-допированную сторону перехода, а минус на n-допированную сторону. Диод помещался в жидкий азот. Когда ток достигал очень большого значения, 8500 А/см2, возникала лазерная генерация, что проявлялось в резком увеличении испускаемого излучения и в сужении спектральной линии от 125 до 15 А.
Рис. 60. Схема полупроводникового лазера на p-n-переходе простейшего типа. Лазерное излучение испускается в тонком активном слое между p и n зонами, и отражается взад и вперед параллельными гранями F1, F2, которые действуют как зеркала резонатора
Натан работал с несколько отличной системой, используя переход без резонатора. Порог, достигаемый при температуре жидкого азота, очевидно, был выше между 10 000 и 100 000 А/см2. Т. Квист из MIT использовал структуру 1,4x0,6 мм2 с отполированными короткими гранями. При температуре жидкого азота порог был около 1000 А/см2. Наконец, Холоньяк использовал переход соединения арсенида галлия с фосфидом. �спользуя этот материал, удалось получить генерацию при 60007000 А/см2 вместо 8400 А/см2, когда использовался простой образец GaAs.
Р’ Р РѕСЃСЃРёРё (РЎРЎРЎР ), РІСЃРєРѕСЂРµ после создания лазеров РІ РЎРЁРђ, Р’.РЎ. Багаев, Рќ.Р“. Басов, Р‘.Рњ. Р’СѓР», Р‘.Р”. Копыловский, Рћ.Рќ. РљСЂРѕС…РёРЅ, Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІ, Рђ.Рџ. Шотов Рё РґСЂ. создали лазерный РґРёРѕРґ РІ Р¤Р�РђРќРµ. Ртот результат обсуждался РЅР° 3-Р№ Международной конференции РїРѕ квантовой электронике РІ Париже, РІ 1963 Рі.
Первые лазеры делались из одного и того же материала с переходом между n и p частями. Они имели высокие пороги. В 1963 г. X. Кромер предложил использовать гетеропереходы, в которых полупроводник с относительно узкой запрещенной зоной располагается между двумя слоями полупроводника с более широкими запрещенными зонами (сэндвич-структура). В то же время аналогичное предложение сделали Ж.�. Алфёров и Р.Ф. Казаринов из Физико-технического института им. А.Ф. �оффе (г. Ленинград). Российские ученые не опубликовали свое предложение. Прошло шесть лет, прежде чем в Bell Labs и в RCA были разработаны первые гетероструктурные лазеры. К тому времени Алфёров и его сотрудники разработали более сложные многослойные структуры, которые сегодня известны как лазеры с двойной гетероструктурой. Усилия Ж. Алфёрова и X. Кромера были отмечены Нобелевской премией по физике в 2000 г. за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной электронике и в оптоэлектронике вместе с Джеком Килби за его вклад в изобретение интегральной схемы.
Р–.Р�. Алфёров родился РІ Витебске (Белоруссия) РІ 1930 Рі. РћРЅ окончил Рлектротехнический институт РёРј. Р’. Р�. Ленина (Ленинград) РІ 1952 Рі. Рё РІ 1953 Рі. поступил РІ Физико-технический институт. РЎ 1987 Рі. РѕРЅ директор этого института. Алфёров академик Р РђРќ Рё депутат Государственной Думы.
Герберт Кромер родился в Веймаре (Германия) в 1928 г. и получил докторскую степень в университете Гёттингена в 1952 г. за диссертацию, посвященную только появившимся тогда новым транзисторам. В 1968 г. он стал работать в университете Колорадо, а с 1976 г. в университете Калифорнии (Санта Барбара).
Разработка полупроводниковых лазеров тормозилась РїРѕ нескольким причинам. Необходимо было разработать РЅРѕРІСѓСЋ технологию для работы СЃ полупроводниками, учитывая, что хорошо разработанная технология для кремния РЅРµ годится. Проблемой также была необходимость работы СЃ короткими импульсами большого тока РїСЂРё РЅРёР·РєРёС… температурах. РџРѕ этой причине РљРџР” лазеров был РЅРёР·РѕРє. Значительный шаг вперед РІ решении этих проблем был сделан РІ 1969 Рі. путем введения гетероструктур, Р’ гетероструктурном лазере простой p-n-переход заменяется многослойной структурой полупроводников разного состава (СЂРёСЃ, 61). Активная область уменьшается РїРѕ толщине, Рё ток, требуемый для лазерной генерации, существенно уменьшается, что соответственно уменьшает выделение тепла. Рто РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє тому, что уже РЅРµ требуется охлаждение, Рё лазер может работать РїСЂРё комнатной температуре.
Рис. 61. Природный лазер в звезде MWC349. Лазерное излучение происходит в диске водорода, ближайшего к звезде, а мазерное излучение получается в более отдаленных областях. �злучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости
Два фактора сильно способствовали преобразованию полупроводниковых лазеров из лабораторных устройств, работающих при очень низких температурах в практичные оптоэлектронные устройства, способные работать непрерывно при комнатной температуре. Первое исключительное и счастливое сходство решеток, содержащих арсенид алюминия (AlAs) и арсенида галлия (GaAs), что позволяет изготавливать гетероструктуры из слоев разной композиции соединение типа AxGa1xAs. Второе многие важные применения, для которых полупроводниковые лазеры оказываются особенно пригодными из-за их особенностей: малые размеры (несколько кубических миллиметров), высокий КПД (обычно не менее 50%), накачка непосредственно электрическим током, долговечность по сравнению с другими типами лазеров.
РўРѕС‚ факт, что лазер непосредственно накачивается током, позволяет модулировать выходное излучение, простой модуляцией тока. Рта особенность идеальна для систем передачи информации.
Существует ли лазер в природе?
Ответ, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, РґР°! Лазерное излучение СЃ длиной волны около 10 РјРєРј (типичная линия излучения РґРІСѓРѕРєРёСЃРё углерода, РЅР° которой работают мощные РЎO2 лазеры, находящие широкое применение, РІ частности для механической обработки материалов) было обнаружено РІ атмосферах Марса Рё Венеры РІ 1981 Рі. исследователями РёР· Лаборатории экспериментальной физики Центра управляемых полетов РёРј. Годдарда (РќРђРЎРђ). Рто излучение уже наблюдалось РІ 1976 Рі. студентами Таунса, который стал заниматься проблемой астрофизики, РЅРѕ только РІ 1981 Рі. было установлено, что причиной его является естественный лазер.
Р�нверсная населенность перехода молекулы РґРІСѓРѕРєРёСЃРё углерода, которая составляет значительную часть атмосферы этих планет, получается РІ результате солнечного света, Рё поэтому получается только РЅР° освещенной полусфере. Рто такой же механизм, как Рё РІ лазерах РЅР° РЎO2, построенных РЅР° Земле. РћРЅРё работают РЅР° длине волны 10 РјРєРј Рё используются РІ качестве мощных лазеров для резки Рё сварки металлов Рё РґСЂСѓРіРёС… применений. Линии излучения РІ атмосферах этих планет почти РІ 100 миллионов раз интенсивнее, чем если Р±С‹ газ испускал РёС… РІ условиях термодинамического равновесия РїСЂРё температуре атмосферы. Часть наблюдаемого излучения является излучением, усиленным РІ инверсно населенной среде. Если Р±С‹ можно было поместить РґРІР° зеркала РЅР° орбите РІРѕРєСЂСѓРі этих планет, РјС‹ могли Р±С‹ получить такую же генерацию, которую получаем РІ земных условиях. Возможности реализации лазера РЅР° планетарном масштабе РІРЅРµ нашего понимания, РЅРѕ что будет РІ будущем, РјС‹ РЅРµ знаем. Рти линии излучения оказались полезными для измерения температур Рё ветров РЅР° Марсе Рё Венере.
Космические мазеры, как уже говорилось, были обнаружены много лет назад, и нет причин исключать существование и космических лазеров. Однако для их существования требуется более трудный процесс, поскольку необходимо большие энергии фотонов. В начале 1995 г., группа астрономов зарегистрировала усиленное инфракрасное излучение, приходящее от диска водорода, вращающегося вокруг молодой звезды в созвездии Лебедя, находящейся от нас на расстоянии 4000 световых лет. �нтенсивность излучения на одной из длин волн, по сравнению с соседними длинами волн, показывает наличие вынужденного излучения (рис. 62). Предварительные наблюдения в 1994 г. одной из звезд, обозначенной MWC349, уже показали интенсивное мазерное излучение от ее диска на длинах волн 850 мкм и 450 мкм, испускаемое водородом. �зучение процессов, которые ответственны за это излучение, привело к предположению, что также возможно излучение на менее коротких длинах волн, испускаемое из области диска вблизи звезды.
Рис. 62. Природный лазер в звезде MWC349. Лазерное излучение происходит в диске водорода, ближайшего к звезде, а мазерное излучение получается в более отдаленных областях. �злучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости
�сследователи из NASA поместили инфракрасный телескоп на самолете, летающие на высоте 12 500 м. На этой высоте поглощение исследуемого излучения в атмосфере существенно ослабляется. Они наблюдали линию на 169 мкм, интенсивность которой в шесть раз превышала ожидаемую интенсивность при термическом равновесии. �злучение на этой линии производится атомами водорода, ионизованными интенсивным УФ-излучением звезды или из-за более сложных процессов, происходящих в диске. Когда ионы рекомбинируют со свободными электронами, они испускают фотоны. Большая часть излучения испускается спонтанно, но возможно также и вынужденное излучение. Такой же процесс дает мазерное излучение в других частях диска, но в центральных частях наблюдается лазерное излучение, частично, из-за того, что водород там плотнее, частично, из-за того, что интенсивность ультрафиолетового излучения выше. Случайно, диск ориентирован по отношению к Земле так, что можно зарегистрировать лазерное излучение. Диск представляет собой область, где, как полагают, могут формироваться планеты, и наблюдаемое излучение приходит от той части этой колыбели планет, которая удалена от звезды на расстояние, приблизительно равное расстоянию между Землей и Солнцем. Поэтому лазерное излучение может помочь нам лучше понять состояние газа в диске. Длина волны 169 мкм лежит на границе областей, которые относят к микроволнам, и оптического диапазона. Поэтому можно говорить как о мазерном, так и о лазерном эффекте.
Лазеры РІ ультрафиолетовой области также существуют. Р�злучение РІ этой области было обнаружено СЃ помощью космического телескопа Хаббл. РћРЅРѕ испускается РёР· газового облака вблизи звезды η-Киля.
�так, мы можем заключить, что в космосе уже существуют естественные мазеры и лазеры. Поэтому мы можем более точно сказать, что мазеры и лазеры были не изобретены, а открыты[14].
