Газовый лазер:
1 — разрядная трубка; 2 — зеркала; 3 — высоковольтный источник питания
Луч лазера очень тонок и очень слабо расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра. В то же время лазерное излучение монохроматично, т. е. содержит только одну частоту или одну длину волны. Свет Не-Nе-лазера красный, а его длина волны составляет 0,63 мкм. Излучение ИК лазеров вообще не видно, но если лазер работает в дальней инфракрасной области (ИК) спектра, как, например, лазер на углекислом газе СО2, излучающий на длине волны 10,6 мкм, то его излучение чувствуется как тепло. Из твердотельных лазеров в оптоэлектронике наибольшее применение получил лазер на кристалле алюмоиттриевого граната (Y3Al5O12), в кристаллической решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (Nd). Основу лазера составляет кристалл с зеркально отполированными торцами. Кристалл освещается ксеноновой лампой-вспышкой. Лазер может работать и в непрерывном режиме. К достоинствам его относятся прочность и надежность конструкции и более высокий КПД но сравнению с газовыми лазерами. Длина волны излучения лежит в ближней ИК области спектра и составляет 1,06 мкм. Но лазер может излучать и вторую гармонику основной частоты, попадающую в середину видимой части спектра. Длина волны в этом случае составляет 0,53 мкм.
Неправда ли, описанные «большие» лазеры, хотя и очень отдаленно, напоминают радиолампы: высокие напряжения, стеклянные баллоны и т. д. Но радиотехника почти везде (кроме мощных радиопередатчиков) стремится отказаться от радиоламп и перейти к полупроводникам. Не произошло ли что-нибудь подобное и в лазерной технике? Да, произошло! Был сконструирован полупроводниковый лазер. О нем я расскажу, но сначала несколько слов о хорошо известных вам устройствах, которые называются светоизлучающими диодами.
Свечение диодов в точке контакта при определенном токе через диод заметил еще в 20-х годах талантливый сотрудник Центральной радиолаборатории О. В. Лосев. Но технология изготовления практически пригодных светодиодов была разработана лишь в наши дни. Почему полупроводниковый p-n переход может светиться? Этот вопрос вызывает еще один, более общий: как вообще излучается свет? Излучают, как мы знаем, атомы, причем для этого их надо перевести в возбужденное состояние, соответствующее высоким энергетическим уровням. Если атомы возбуждать нагревом, то соответствующее излучение называется тепловым. Оно некогерентно. Даже нагретый гвоздь излучает в ИК области спектра. Нагревая гвоздь сильнее, мы видим, как он становится темно-красным, затем желто-соломенным. А нагретый до значительно большей температуры металл в доменной печи сияет белым или даже бело-голубым светом. Итак, с повышением температуры максимум теплового излучения смещается в сторону коротковолновой части спектра. Энергия теплового движения атомов и молекул пропорциональна температуре, и описанное явление как нельзя лучше согласуется с квантовой теорией, ведь энергия кванта обратно пропорциональна длине волны. Итак, чем больше температура, тем больше энергия квантов и тем короче длина волны излучения. Но тепловое излучение не имеет никакого отношения к светодиодам и полупроводниковым лазерам.
Есть еще один вид излучения — люминесценция. Его мощность превышает, и часто очень намного, интенсивность теплового излучения при данной температуре. Люминесценцию называют «холодным светом». Чтобы возникла люминесценция, необходимо внешнее воздействие нетеплового характера. Хорошо знакомый нам экран электронно-лучевой трубки светится под ударами электронов. В полупроводниковых светодиодах используется электролюминесценция возбуждение атомов проходящим через диод электрическим током.
Возбужденные атомы полупроводника оказываются на метастабильном энергетическом уровне. Возвращаясь в основное состояние, они и излучают квант света. Если возвращение атомов в равновесное состояние происходит самопроизвольно, вне связи с внешними воздействиями, то излучение оказывается некогерентным. Так излучают обычные светодиоды, используемые как индикаторы в электронной аппаратуре. Выпускаются и семисегментные цифровые индикаторы на основе светодиодов. Они применяются в некоторых калькуляторах и часах.
Наибольшее распространение в светодиодах получили такие полупроводники, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP). Используются и тройные соединения, например GaAlAs, GaAlP и др. В зависимости от материала и технологии изготовления получают красный, оранжевый, зеленый и даже синий цвета свечения. Выпускаются и ИК излучающие диоды. Светодиоды могут иметь размеры от нескольких миллиметров до долей миллиметра. Потребляемый ими ток составляет десятки миллиампер при напряжении 2… 3 В. Коэффициент полезного действия светодиодов невелик, и мощность оптического или ИК излучения не превосходит нескольких милливатт.
Светодиоды.
Полупроводниковый лазер имеет такой же излучающий p-n переход, как и светодиод, но структура его существенно отличается. Кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор. Плотность тока через p-n переход лазера должна быть выше, чтобы интенсивнее переводились атомы на метастабильный уровень Далее, как и в любом лазере, благодаря оптическому резонатору происходит индуцированное излучение на одной определенной длине волны.
Полупроводниковые лазеры имеют заметно худшую когерентность излучения по сравнению с газовыми и даже твердотельными. Угол расходимости светового пучка у них тоже больше. Но зато полупроводниковые лазеры имеют и неоспоримые достоинства: миниатюрность, экономичность и надежность в работе, низковольтное питание. В ряде случаев эти преимущества оказываются решающими.
Итак, мы знаем, как генерируется оптическое излучение, проще говоря — свет. Теперь надо его принять, зарегистрировать. Для этой цели служат фотоприемники.
Полупроводниковый лазер.
Собственно, с фотоприемниками мы уже знакомы по главе, посвященной телевидению. Вакуумные фотоэлементы и фотоумножители продержались значительно дольше радиоламп, но теперь и они уступают место миниатюрным и чувствительным кремниевым или арсенидгаллиевым фотодиодам. В полупроводниковых фотоприемниках наблюдается внутренний фотоэффект, кванты света «выбивают» электроны в атомах толщи полупроводника. Ставшие свободными электроны создают ток через p-n переход, который регистрируется.
Различают два режима работы фотодиодов: собственно фотодиодный и фотовольтаический. В фотодиодном режиме на p-n переход подастся запирающее напряжение. В темноте ток через закрытый переход оказывается весьма малым. Но стоит осветить переход как ток резко возрастет. Разумеется, за счет «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте «дырок».
В фотовольтаическом режиме на p-n переход не подают напряжения — оно само возникает под действием света. Происходит это оттого, что кванты света сообщают носителям — заряда дополнительную энергию, помогающую им преодолевать потенциальный барьер p-n перехода. «Информационные» фотоприемники, служащие для регистрации оптических сигналов, чаще всего работают в фотодиодном режиме, а солнечные батареи в фотовольтаическом режиме, развивая напряжение в несколько десятых долей вольта на каждый элемент.