Ii-bob. Yarimo’tkazgichli injeksion lazerlar, ularning turlari, xususiyatlari - bet 2

e–elektron zaryadi, U– elektr maydon potensiali. Yarimo‘tkazgichning ikki tipi tomonga beriladigan tokning elektr maydoni ta’sirida p-n o‘tish chegarasida “berkituvchi qatlam” hosil bo‘ladi. Bu yopiladigan qatlamda inversion ko‘chganlik hosil bo’ladi. Yarimo‘tkazgichga elektr manbai ulaganda tashqi elektr maydoni ta’sirida yopiladigan qatlamda elektronlarni n - tipli yarimo‘tkazgichning o‘tkazish sohasidan va kovaklarni esa p– tipning valent sohasidan tortib chiqarib to‘playdi. Shu paytda yopiladigan qatlamda elektron bilan kovak uchrashib rekombinatsiyalashish natijasida yorug‘lik nurini chiqaradi (2.2(c)–rasm). Shuni aytish lozimki, p-n o‘tishli yarimo‘tkazgich yaxlit monokristalldan tayyorlanadi va p-n o'tish shu monokristallning ichida hosil qilinadi. Elektr maydon ta’sirida yopiladigan qatlamda p-n o'tish chegarasida zaryad tashuvchilar elektron va kovaklarning odatdagidan ortiqcha konsentrasiyasini hosil qilish shu yarimo‘tkazgich chegarasida inversion ko'chganlik hosil qilishning aynan o‘zidir. Yopiladigan qatlamni faol qatlam deyiladi. Elektr zaryadini tashuvchi elektron va kovaklar birgalikda faol markazlarni hosil qiladi. Yarimo‘tkazgich lazerlarning faol moddalari: GaAs, InAs, InSb, PbSe.
2.2–rasnu Kuchli legirlangan o’tishli yarimo’tkazgichlarning energetik sohalari va kvant nurlanish sxemasi: a) Elektr maydon ta’siri bo‘lmaganda sohalarning siljishi kuzatilmaydi. b) Elektr maydon ta’sirida sohalarning – tip tomonga siljishi. c) Rekombinatsiya vaqtida yopiladigan qatlamdan kvant nurlanishi.
F aol moddalar rezonatorga joylansa, lazer nurlarini chiqaradi. Yarimo‘tkazgich lazerida optik rezonator vazifasini yarimo‘tkazgichli kristallning yon tomonlari bajaradi. Kristallning qarama-qarshi silliqlangan tomoni ko‘zgu vazifasini bajaradi, chunki yarim o‘tkazgichli kristallarning sindirish ko‘rsatkichi (п= 3,5) juda katta qiymatga ega, yarimo‘tkazgich va havo chegarasidan 30÷35 % yorug‘Iik qaytadi. Arsenid–galliy lazerining to’lqin uzunligi 𝜆=0,84 mkm, 77 °K temperaturada foydali ish koeffitsiyenti 70÷80% ni tashkil qiladi. 2.3–rasmda yarimo‘tkazgich lazerini damlash, nurlanish energetik sathlari va lazerning tuzilishi sxematik ravishda keltirilgan.
2.3–rasm. a) yarimo ‘tkazgichli lazerning tuzilishi: 1-elektr toki beriladigan simning kontakti, 2-yarimo ‘tkazgich kristali; b) damlash.
GaAs lazeri generatsiyasining quyi chegarasi, 77 K haroratda (2÷3)∙l02 A/sm2 ni tashkil etadi. Impulsli rejimda elektr toki 0,5÷1 mikrosekund davomida invers bandlik hosil qiladi, uning quvvati 100 Vt ga yaqin. Uzluksiz rejimda esa quvvati bir necha Vattni tashkil yetadi. Aslida yarimo‘tkazgich lazerlari eng samarali lazer bo‘lishi bilan birga generatsiyasi keng spektral oraliqni (0,3 mkm dan to 30 mkm) egallaydi.
Damlash tokining GaAs lazeri generatsiyasining quyi chegarasidan ancha yuqori qiymatida nurlanish spektri 3,5 sm–1 kenglikka ega. Ikkita bo‘ylama modalarning spektral oralig‘i quyidagi formula yordamida aniqlanadi.
(2)
n - slndirish ko'rsatkichi, 𝜆 – to’lqin uzunligi, – sindirish ko’rsatkichining dispersiyasi, L–rezonator ko‘zgulari orasidagi masofa (yarimo’tkazgich kristallining qalinligi). Ga(As1-xPx) lazeri – boshqa yarimo‘tkazgich lazerlariga nisbatan ancha keng spectral oraliqda generatsiya (0,84 mkm dan to 0,64 mkm gacha) hosil qiladi. Toza GaAs (x= 0) da generatsiya = 0,84 mkm, agar moddaning tarkibi o‘zgartirilsa (x=0,4), generatsiya chastotasi ham o‘zgaradi va nurlanish spektrining to‘lqin uzunligi 0,64 mkm ni tashkil etadi. Yarimo‘tkazgichning temperaturasini o‘zgartirish yo‘li bilan ham tashqi bosim (ostida mexanik kuch ta’sirida), ham generatsiya chastotasini o‘zgartirish imkoniyati mavjuddir. Shunday qilib, yarimo‘tkazgichlarning tarkibini, temperaturasini o‘zgartirib va bosim ta’sirida generatsiya chastotasini (to‘lqin uzunligini) uzluksiz o‘zgartirish mumkin. Shu sababli, yarimo‘tkazgich lazeri optoelektronikada, lazer printerida va spektroskopiyada keng ko‘lamda qo‘llanilmoqda.
T. Mеymаn 1960 yil, 16 Mаy kuni birinchi mаrtа оptik kvаnt gеnеrаtоri - lаzеrning ishlаshini nаmоyish etdi. T. Mеymаnning оlib bоrgаn tаdqiqоtlаri lаzеr fizikаsidа yangi dаvrni оchib bеrgаn bo‘lsаdа, tаriхаn “stimullаshgаn nurlаnish tаbiаti” to‘g‘risidаgi nаzаriy tа’limоt А. Eynshtеyngа tа‘аlluqlidir. Lаzеrlаr vа lаzеr nurlаnishi qоnuniyatlаri, lаzеr tехnоlоgiyalаri ustidа izlаnishlаr bir аsrdаn оshiqrоq vаqtdаn buyon hаligаchа dаvоm etib kеlmоqdа.
1960 yilning dеkаbridа uzluksiz rеjimdа ishlоvchi birinchi gеliy- nеоn lаzеri yarаtildi. Dаstlаb lаzеr infrаqizil diаpаzоndа, kеyinchаlik esа tаkоmillаshtirilib ko‘rinаdigаn to‘lqin uzunligidаgi qizil rаngli nurlаnishgа mоslаshtirildi. Lаzеrlаr klаssifikаsiya qilingаndа, quyidаgilаrgа turlаrgа аjrаtish mumkin:
–lyuminеssеnsiyalаnuvchi qаttiq jislаrdаgi (dielеktrik kristаllаr vа shishа);
– yarimo‘tkаzgichli lаzеrlаr;
– оrgаnik bo‘yoqli lаzеrlаr;
– gаz lаzеrlаri;
– gаzоdinаmik lаzеrlаr;
– eksimеr lаzеrlаr;
– kimyoviy lаzеrlаr;
– erkin elеktrоnli lаzеrlаr;
– yarimo‘tkаzgich – kvаnt kаskаdli lаzеrlаr;
– tоlаli yoki оptik tоlаli lаzеr;
– vеrtikаl nurlаnuvchi lаzеrlаr (VCSEL).
Lаzеrlаrning bоshqа turlаri (rеntgеn, gаmmа vа bоshqа turdаgi lаzеrlаr) bo‘yichа hоzirgi kundа ilmiy tаdqiqоtlаr dаvоm etmоqdа.
Barcha lazerlar uchta asosiy qismdan iborat bo‘ladi (2.4–rasm):
1. Faol muhiti;
2. Energiya manbai;
3. Optik rezonator.
Ularning har biri o‘ziga xos funksiyani bajarib, lazerning ishlashini ta‘minlaydi.
Faol muhit - yorug'lik oqimini kuchaytiradi. Energiya manbai - energiyani faol muhitga tanlab pompalaydi. Optik rezonator – induksiyalangan nurlanishni bir qismini yig‘adi, teskari aloqani ta‘minlaydi.
2.4–rasm. Lazerning tuzilishi. 1 - lazer moddasi (faol muhit), 2 - yuqori kuchlanishli manba, 3 - ко‘zgu, 4 - yarim shaffofko‘zgu, 5 - lazer nuri.
Yarimo’tkazgichli kristallarni kеng oraliqda hususiyatlarini boshqarish mumkinligi, undan turli maqsadlarda foydalanish mumkin bo’lgan lazеrlar yaratish imkoniyatlarini ochib bеrmoqda. Yarimo‘tkazgichli lazer 1958 yilda N.G. Basov va uning komandasi tomonidan yaratilgan.
Yarimo‘tkazgichli lazer – kristall yarim o‘tkazgich materialiga asoslangan qurilma bo‘lib, uning tashqi elektrodlariga elektr kuchlanish berilganda yorug‘lik chastotalari yoki to‘lqin uzunliklarining tor sohasida ma‘lum bir yonalishdagi intensiv kogerent yorug‘lik oqimi hosil qiladi.
Yarimo’tkazgichli lazerlarning nurlanishi ham boshqa turdagi lazerlarning nurlanishi kabi vaqt va fazoda kogerent hisoblanadi. Ya’ni, lazer nurlanishi yuqori monoxromatikligi sababli, qat’iy yo’nalgan yorug’lik dastasi hosil qiladi. Yarimo‘tkazgichli lazerlar bir qator muhim xarakteristikalari bilan boshqa turdagi lazerlardan sezilarli darajada farq qiladi. 2.5–rasmda lazer konstursiyasining sxematik diagrammasi keltirilgan.
Yarimo‘tkazgichli lazerlar uchun p-n o‘tish sohasida elektron va kovaklar bir vaqtda ishtirok etishi katta ahamiyatga ega. Bu shart kuchli legirlangan yarimo‘tkazgich donor va akseptorni hosil qiladigan elementlarni yarimo‘tkazgichning kristall panjarasiga kiritib konsentrasiyasini bir santimetr kub hajmda ta atomga yetkazishda bajariladi.
2.5–rasm. Lazer konstursiyasining sxematik diagrammasi.
Yarimo‘tkazgich lazerida optik rezonator vazifasini yarimo‘tkazgichli kristallning yon tomonlari bajaradi (5–rasm). Kristallning qarama–qarshi silliqlangan tomoni ko‘zgu vazifasini bajaradi, chunki yarim o‘tkazgichli kristallarning sindirish ko‘rsatkichi (п=3,5) juda katta qiymatga ega, yarimo‘tkazgich va havo chegarasidan 30÷35 % yorug‘lik qaytadi.
2.6–rasm. Elektronlar oqimi bilan sof yarimo'tkazgichda
kogerent nurlanish olishning sхematik chizmasi.
Arsenid-galliy lazerining to‘lqin uzunligi 𝜆=0,84 mkm, 77 K haroratda foydali ish koeffisiyenti 70÷80 % ni tashkil qiladi. GaAs lazeri generasiyasining quyi chegarasi, 77 K haroratda ni tashkil etadi. Impulsli rejimda elektr toki 0,5÷1 mikrosekund davomida invers bandlik hosil qiladi, uning quvvati 100 Vt ga yaqin. Uzluksiz rejimda esa quvvati bir necha Vattni tashkil etadi. Aslida yarimo‘tkazgich lazerlari eng samarali lazer bo‘lishi bilan birga generatsiyasi keng spektral oraliqni (0,3 mkm dan to 30 mkm) egallaydi.
Yarimo‘tkazgichli lazerlarning o‘ziga xos xususiyatlari sifatida quyidagilarni keltirib o‘tish mumkin:
1. Oddiy lazerlarda kvant o‘tishlari diskret energetik sathlari o‘rtasida sodir bo‘lsa, yarimo‘tkazgichli lazerlarda o‘tishlar materialning energetik zonalari tuzilishi bilan bog‘liq;
2. Yarimo‘tkazgichli lazerlar juda kichik (uzunligi ~0,1 mm) va ulardagi faol muhit juda tor (~1 mkm yoki undan kam) bo‘lgani uchun lazer nurlarining yoyilishi an‘anaviy lazernikiga qaraganda ancha katta;
3. Yarimo‘tkazgichli lazer nurlanishining fazoviy va spektral xarakteristikalari p-n o’tish hosil qilingan materialning taqiqlangan zona kengligi, nur sinishi ko‘rsatkichi kabi xususiyatlariga keskin bog’liq;
4. p-n o‘tishli lazerda lazer nurlanishi diod orqali to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘tadigan tok ta‘sirida sodir bo‘ladi. Natijada, sistema juda samarali hisoblanadi, chunki bu nurlanishni tok modulyatsiyasi bilan osongina modulyasiya qilish imkonini beradi;
5. Yarimo’tkazgichli lazerlar uchun qo’zg’atish (damlash)ning turli: p-n o’tish orqali injeksiyalash (injeksion lazerlar), optik qo’zg’atish, elektronlar dastasi va ko’chkili teshilish yordamida qo’zg’atish usullari mavjud.
Yarimo‘tkazgichli lazerlarni ishlab chiqarish materiallari 1–jadvalda keltirilgan.
1–jadval.
|