Марио Бертолотти - История лазера

В бывшем Советском Союзе группа ученых Института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) АН СССР, возглавляемая Н.Г. Басовым, в составе Б.М. Вула и Ю.М. Попова, начала в 1957 г. рассматривать возможность использования полупроводников для продвижения излучения мазера в оптический диапазон. Басов начал рассмотрение этой проблемы вместе с Поповым, который тогда работал в лаборатории люминесценции. Оба исследователя познакомились, когда были студентами в МИФИ. Физика полупроводников изучалась в ФИАНе в лаборатории полупроводников, которой руководил Бул. Поэтому он, естественно, принимал активное участие. В результате сотрудничества этих трех ученых появилось предложение лазерной системы с использованием электрического разряда. Оно было опубликовано в июне 1958 г. и обсуждалось Басовым на Западе на Первой конференции по квантовой электронике, организованной Таунсом в США. Этой работы не было в программе, и она была представлена на обеде (полупроводниковый лазер, работающий на этом принципе, был создан много позже, в 1968 г., в группе Басова). Позднее, в 1960-61 гг., эта группа предложила еще три метода возбуждения: электронный пучок, оптическая накачка и инжекция электронов через p-n-переход. Авторами этих предложений были Н.Г. Басов, Ю.М. Попов и О.Н. Крохин. Выполнялись также экспериментальные исследования. В 1959 г, в ФИАНе под руководством Басова была начата программа «Фотон», которая была первой научной программой в СССР по разработке лазеров.

Возможность использования полупроводников рассматривалась в США и обсуждалась в 1959 г. в MIT Кромером и Цайгером. В 1960 г. Бойль и Томас из Bell Labs получили патент на использование полупроводников для создания лазера.

Тем временем, в 1961 г., двумя французскими исследователями М. Бернардом и Г. Дурафургом из Национального исследовательского центра телекоммуникаций (CNET) был получен важный теоретический результат. Они представили полное и исчерпывающее обсуждение, из которого следовала возможность вынужденного излучения в полупроводниках благодаря переходам между зоной проводимости и валентной зоной. Были получены фундаментальные соотношения, из которых следовала возможность получить лазерный эффект. Они также рассмотрели некоторые материалы, в которых можно ожидать выполнение нужных условий, и предложили среди других материалов полупроводники GaAs (арсенид галлия) и GaSb (антимонид галлия). После публикации этой работы многие группы начали активные исследования. В январе 1962 г. российский ученый Д.Н. Наследов и его коллеги из Физико-технического института АН СССР (г. Ленинград) сообщили, что ширина линии излучения, испускаемого GaAs-диодами, демонстрирует некоторое уменьшение ширины при увеличении тока. Они предположили, что это могло указывать на вынужденное излучение. В США несколько групп из IBM, RCA, Линкольновской лаборатории MIT и General Electric (GE) начали соревновательную гонку, которая коротко описывается здесь.

В Ватсоновском исследовательском центре IBM P. Ландауер сформировал в 1961 г. небольшую группу для изучения проблемы систематическим путем. В. Думке из IBM показал, что простые (элементарные) полупроводники, такие как кремний и германий, которые широко используются в электронике, не пригодны из-за их структуры зон, и предложил использовать более сложные в структурном отношении полупроводники (полупроводниковые соединения), такие как арсенид галлия. У них минимум энергии зоны проводимости совпадает с максимумом валентной зоны (прямозонные полупроводники). В IBM были хорошие условия для изучения, поскольку уже началась программа для применений арсенида галлия в электронике.

Изучением полупроводниковых соединений, особенно арсенидом галлия, занимались также в General Telephone and Electronics Laboratories  (GT&E). Здесь работала группа С. Мэйбурга. В марте 1962 г. он представил на заседании Американского Физического Общества работу по электролюминесценции GaAs диодов при 77 К, т.е. излучение этих диодов, охлажденных до температуры жидкого азота, при пропускании электрического тока. Было показано, что при определенных условиях почти каждый заряд, инжектированный через p-n-переход, дает фотон. Это был результат, аналогичный тому, что получил Мейман для рубина (высокая квантовая эффективность) и указывал, что p-n-переходы являются идеальной системой, для получения лазерного эффекта.

Ж. Панков из RCA провел 1956—1957 гг. в Париже, работая с Эгрэном. Возвратившись из Франции, он начал исследования, но без финансовой поддержки, поскольку начальство не рассматривало полупроводниковые лазеры выгодным объектом. В январе 1962 г. на конференции Американского Физического Общества Панков объявил о наблюдении рекомбинационного излучения из переходов арсенида галлия. Мэйбург почувствовал, что его могут опередить, и удвоил 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 Фабри—Перо. Идея 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 Фабри—Перо (арсенид галлия обладает высоким показателем преломления, поэтому френелевское отражение на границе полупроводник—воздух 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 5—20 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°.