Полупроводниковые лазеры в копировальной технике.
Слово Laser означает Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света вынужденным излучением, или в русскоязычной терминологии - это оптический квантовый генератор. Энергия лазера представляет собой электромагнитное излучение, которое может быть видимым или невидимым, и представима в виде очень коротких импульсов, называемых фотонами (фотон – минимальная частица энергии). Видимый луч лазера может быть красным или голубым, невидимый луч лазера может быть, например, инфрокрасным. Лазеры широко применяются в различных устройствах компьютерной техники: копирах, принтерах, оптических дисках и др. устройствах.
Свет обычно представляет собой спектр электромагнитных излучений различных длин волн (рис.1), испускаемых во все стороны множеством не связанных между собой микроизлучателей, например, солнечный свет или свет от нити накаливания, т. е. излучаемый, как правило, вследствие термической эмиссии. При таком излучении (некогерентном) затруднена возможность манипуляций со световым пучком для его однозначных пространственно-временных преобразований.
Рис. 1.
Существуют два основных типа источников излучения (полупроводниковых излучателей когерентного света), удовлетворяющие требованиям современных оптоэлектронных устройств, которые широко используются в настоящее время;
- светоизлучающие диоды (CD)
- полупроводниковые лазерные диоды (LD).
Основной отличительной чертой между светодиодами и лазерными диодами является ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр (рис. 2). Оба излучающих устройства компактны и хорошо согласуются со стандартными электронными схемами.
Рис. 2. Спектры излучения светодиодов (a) и лазерных диодов (б, в)
Светоизлучающие диоды построены на основе полупроводников р-п типа, излучающих свет в условиях, когда отрицательная клемма электрической батареи подсоединяется к участку полупроводника n-типа, а положительная клемма к полупроводнику р-типа. В этом режиме электроны инжектируются в полупроводник n-типа и вытягиваются из полупроводника р-типа. На рис. 3 в схематическом виде представлен СD и его работа.
Рис. 3. Светоизлучающий диод
Положительный наклон энергетических зон приводит к движению электронов и дырок навстречу друг другу и миграции их через обедненную носителями зону перехода. В результате захвата электронов дырками происходит излучение света. Для постоянного повторения данного процесса и уравновешивания процесса рекомбинации требуется подпитка перехода новыми носителями заряда, осуществляемая при пропускании тока. При отключении тока рекомбинация приводит к восстановлению обедненной зоны в области перехода и излучение прекращается. Светоизлучающие диоды, являются более сложными приборами по сравнению с описанным выше, однако принцип работы у них тот же. Сложности возникают из-за того, что необходимо создать источник с заданными характеристиками какой-либо волоконно-оптической системы. Принципиальными характеристиками диода являются длина волны излучаемого света и пространственная диаграмма излучения.
Описанный выше СD - устройство с гомогенным переходом, то есть с переходом, образованным единственным полупроводниковым материалом. СD с гомогенным переходом излучает свет как с боковой границы перехода, так и со всей его плоской поверхности. Излучение при этом имеет широкую диаграмму и малую интенсивность, что не совсем пригодно для использования в оптических волокнах. В этом случае только малая часть излученного света может быть направлена в ядро волокна.
Использование гетерогенной структуры перехода позволяет решить данную проблему. Носители заряда оказываются ограниченными активной областью кристалла. Гетерогенный переход является переходом р-n типа, образованным материалами с аналогичной кристаллической структурой, но с отличающимися энергетическими уровнями и показателями преломления. Эти различия обеспечивают пространственную локализацию носителей заряда и более направленное излучение света. Разница показателей преломления используется, например, для локализации и управления световыми пучками подобно тому, как это происходит в оптическом волокне. В результате получается узконаправленное излучение.