Марио Бертолотти - История лазера

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°.

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. Используя этот материал, удалось получить генерацию при 6000—7000 А/см2 вместо 8400 А/см2, когда использовался простой образец GaAs.

В России (СССР), вскоре после создания лазеров в США, В.С. Багаев, Н.Г. Басов, Б.М. Вул, Б.Д. Копыловский, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, А.П. Шотов и др. создали лазерный диод в ФИАНе. Этот результат обсуждался на 3-й Международной конференции по квантовой электронике в Париже, в 1963 г.

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.И. Алфёров и Р.Ф. Казаринов из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (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».

Ж.И. Алфёров родился в Витебске (Белоруссия) в 1930 г. Он окончил Электротехнический институт им. В. И. Ленина (Ленинград) в 1952 г. и в 1953 г. поступил в Физико-технический институт. С 1987 г. он директор этого института. Алфёров — академик РАН и 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 по нескольким причинам. Необходимо было разработать новую технологию для работы с полупроводниками, учитывая, что хорошо разработанная технология для кремния не годится. Проблемой также была необходимость работы с короткими импульсами большого тока при низких температурах. По этой причине КПД лазеров был низок. Значительный шаг вперед в решении этих проблем был сделан в 1969 г. путем введения гетероструктур, В гетероструктурном лазере простой p-n-переход заменяется многослойной структурой полупроводников разного состава (рис, 61). Активная область уменьшается по толщине, и ток, требуемый для лазерной генерации, существенно уменьшается, что соответственно уменьшает выделение тепла. Это приводит к тому, что уже не требуется охлаждение, и лазер может работать при 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. Излучение 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 AxGa1—xAs. 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.

Тот факт, что лазер непосредственно накачивается током, позволяет модулировать выходное излучение, простой модуляцией тока. Эта особенность идеальна для систем передачи информации.

Существует ли лазер в природе?

Ответ, по-видимому, да! Лазерное излучение с длиной волны около 10 мкм (типичная линия излучения двуокиси углерода, на которой работают мощные СO2 лазеры, находящие широкое применение, в частности для механической обработки материалов) было обнаружено в атмосферах Марса и Венеры в 1981 г. исследователями из Лаборатории экспериментальной физики Центра управляемых полетов им. Годдарда (НАСА). Это излучение уже наблюдалось в 1976 г. студентами Таунса, который стал заниматься проблемой астрофизики, но только в 1981 г. было установлено, что причиной его является естественный лазер.

Инверсная населенность перехода молекулы двуокиси углерода, которая составляет значительную часть атмосферы этих планет, получается в результате солнечного света, и поэтому получается только на освещенной полусфере. Это такой же механизм, как и в лазерах на СO2, построенных на Земле. Они работают на длине волны 10 мкм и используются в качестве мощных лазеров для резки и сварки металлов и других применений. Линии излучения в атмосферах этих планет почти в 100 миллионов раз интенсивнее, чем если бы газ испускал их в условиях термодинамического равновесия при температуре атмосферы. Часть наблюдаемого излучения является излучением, усиленным в инверсно населенной среде. Если бы можно было поместить два зеркала на орбите вокруг этих планет, мы могли бы получить такую же генерацию, которую получаем в земных условиях. Возможности реализации лазера на планетарном масштабе вне нашего понимания, но что будет в будущем, мы не знаем. Эти линии излучения оказались полезными для измерения температур и ветров на Марсе и 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. Интенсивность 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. Изучение 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. Излучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости