с Этим в полупроводнике могут происходить и обратные процессы - спонтанная и вынужденная рекомбинация электрон но-дырочных пар, сопровождающаяся спонтанным или вынужденным излучением квантов света. Это означает, что в полупроводнике при определенных условиях поможны усп-ление и генерация света.

Естественно, в нормальном равновесном состоянии полупроводник способен лищь поглощать, а не усиливать свет. Если в проводнике нарушить тепловое равновесие с тем, чтобы электроны плотно заполнили область, примыкающую к дну зоны проводимости Бс, а дырки плотно заполнили область у потолка валентной зоны (такое состояние называ-отся вырожденным), то полупроводник приобретет способность усилип.чть свет, т. е. его состояние будет характсри.зо-вяться инверсией населенностей энергетических уровней.

Однако в чистых полупроводниках создатьодновременно вырождение электронов и дырок трудно. Этого легче добиться в полупроводниках, содержащих примеси, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне. При этом атомы, легко отдающие электроны-доноры (Те, Se и др.), образуют уровни в запрещенной зоне вблизи дна проводимости е,., а атомы, легко воспринимающие дополнительные электроны-акцепторы (Zn, Cd и др.), образуют уровни вблизи верхнего края валентной зоны При преобладании до-норных примесей полупроводник называется полупроводником п-типа, а при преобладании акцепторных примесей - р-типа. Если примесей очень много, то они начинают взаимодействовать между собой, и их уровни расширяются в зоны, которые могут сливаться с зоной проводимости или валентной зоной. При этом электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне может оказаться так много, что в полупроводнике станут вырожденными либо электроны, либо дырки (рис. 16).

Если взять два полупроводника п- и р-типов, в которых электроны и дырки вырождены, и соединить их, то в месте соединения, называемом о-п-переходом, может • возникнуть инверсия населенностей. Естественно, что инверсия в области перехода будет существовать только в первый момент присоединения полупроводников. Для того, чтобы снова добиться создания инверсной населенности, необходимо приложить к переходу электрическое поле. При этом через переходе потечет электрический ток, состоящий из двух компонентов

лектронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу, и ; переходном слое будут поддерживаться условия, достаточ-чые для вырождения электронов и дырок и, следовательно, нем будет сохраняться состояние инверсной населенности.

п-пблПГ,11Ь

D- область

Рис. 16. Энергетическая схема р-/1-перех6да при соединении полупроводников р- н /1-тнпа

lia взаимодействии полупроводников р- и л-типов работают наиболее широко распространенные инжекционные полупро-нодниковые лазеры на р-л-переходах. В табл.- 2.2 приведены

Таблица 2.2

некоторые характеристики активных сред полупроводниковых! лазеров. Высокая концентрация активных центров в полупроводниках, используемых для лазеров, предполагает высокую вероятность излучательных переходов. Например, для получения 10-кратного оптического усиления в рубине длгиь! кписталла должна быть около 100 мм, в полупроводнике же] достаточно 0,1 мм. Размеры активных сред полупроводнико-з вых лазеров при столь высоком усилении ограничены и nei превышают долей миллиметра.

2.2. Жидкие активные среды

2.2.1. Жидкости с активными ионамц редкоземельных металлов

В определенной мере жидкие растворы могут иметь пре-иму1цества перед твердотельными матрицами. Поскольку концентрация активных ионов в них может быть того же порядка, что и в стеклах, то и энергии, получаемые с единицы объема активных сред, могут быть сравнимы с характеристиками твердотельных лазеров. Объем активных сред при этом ограничен лишь объемами кювет. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, однако при оптической накачке в них могут возникать значительные неоднородности. Возможна прокачка активной среды через лазерную кювету для охлаждения рабочего тела. При больших плотностях энергии в активной среде не возни кает необратимых разрушений. В качестве активных частиц в жидкостных матрицах используются те же редкоземельные ионы, что и в стеклах. Наиболее часто, как и для твердо-трльных лазеров, ионом-активатором является ион неодима Nd+ (рис. 14). Жидкие лазерные материалы делятся на два класса: металлоорганические (хелатные) и неорганические (апротонные).

Характерной особенностью растворов хелатов как рабочего тела лазеров является то, что в них возбуждение актив ного иона происходит не непосредственно под действием он тической энергии накачки, а в результате внутримолекуляр-ой передачи энергии органической части комплекса к воз уждаемому иону. Это позволяет расширить возможный круг используемых ионов за счет частиц с узкими полосами соб-. ственного поглощения. Недостаток хелатных лазеров - не--высокая энергетическая эффективность, что, в первую оче

редь, объясняется большим коэффициентом поглощения сче-la иакачки. В табл. 2.3 приведены характеристики двух типичных хелатных активных сред.

Таблица 2.3

Характерная особенность неорганических растворителей - отсутствие в них водорода (поэтому их называют ап-ротонными), что позволяет эффективно использовать четырехуровневую схему инверсной населенности в ионах Nd+ с поглощением света накачки собственными полосами поглощения Nd3+. Спектры поглощения растворов Nd+ в неорганических жидкостях и другие характеристики процесса образования инверсии в них схожи с аналогичными параметрами активных сред на основе стеклянных матриц. Неорганические Жидкие материалы имеют в своей основе двухкомпонентные растворы SeOClj или POCI3 с галогенидами III, IV и V групп. Растворы на основе SeOCla Токсичны и имеют большую вязкость, что препятствует прокачке жидкости, на основе POCI3 Нетоксичны и менее вязки. Однако обе жидкости весьма агрессивны, что сужает выбор возможных конструкционных

ш материалов и требует тщательной герметизации кювет. Некоторые физические характеристики таких активных сред приведены в табл. 2.3.

2.2.2. Растворы органических красителей

К органическим красителям относят сложные органические соединения, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра, распределяемые по следуюидим классам: ксантены, полиметины, оксазины, кумарины, антрацены, азины, фтало-цианины. В качестве растворителей используют воду, этанол, метанол, циклогексан, толуол, глицерин, бензон, ацетон и другие жидкости, а также полимерные материалы: полистирол, полиметакрилат. Молекулы красителей имеют сложную структуру и характеризуются большим числом энергетических состояний, представляющих собой сложные комбинации

CuriijieniHbe. совтояния

Флюореси,ен-

Триплвтныв состояния

Поглощение

Безызлучательныи пврвмд

Фосфорвсценциу

Рис. 17. Схема энергетических уровней лазера на красителях

электронных колебательных и вращательных состояний. При рассмотрении механизма создания инверсии населенностей пользуются упрощенной пятиуровневой схемой (рис. 17).

Большинство химически устойчивых молекул содержит четное число электронов, которые в молекулах с ковалент-ными связями спарены, и результирующий спин равен нулю. Такое энергетическое состояние называют синглетным, и

обозначают символом 5. Если в результате возбуждения и гфевода электрона на более высокий энергетический уровень ЛИНЫ пар электронов останутся антипараллельными, то со-1;0яние системы останется синглетным. Но возможны и та-le переходы, когда спин электрона, перешедшего на более .(сокий энергетический уровень, становится параллельным фтнеру. Такое состояние системы называется триплетным обозначается символом Т. Излучательные переходы между , !1иглетными состояниями называются флюоресценцией, а .11жду различными состояниями - фосфоресценцией.

В результате возбуждения (оптическая накачка) молеку-,1 из состояния 5о переводится в синглетное состояние 5) \\.т Зч. Возбужденная молекула быстро (10-" с) безызлуча-!(Льно релаксирует на нижний колебательный уровень синг-ктного состояния Si, отдавая избыток энергии растворите-:10. При этом возникает инверсия населенностей между этим ровней и одним из уровней Sq. Далее молекула может со-1!(ршить либо излучательный лазерный переход 5i5o, либо ),ин из следующих переходов, конкурирующих с лазерным: S-52, связанный с поглощением энергии накачки, безызлу-1;1тельный переход 5i5o (внутренняя конверсия), также осзызлучательный переход в триплетное состояние Sy-T кпнглет-триплетная конверсия), который затем может при-нодитъ к дополнительному поглощению излучения накаяки и; переходе Т-Т (триплет-триплетное поглощение), либо к переходам T-S (излучательным или безызслучательным).

Для возбуждения органических красителей применяют оп-пшескую накачку, создаваемую с помощью лазеров (в видимом или ультрафиолетовом спектральных диапазонах) или специальных импульсных газоразрядных ламп.

В зависимости от характеристик красителя и используемого источника накачки лазерная генерация может быть осу-иествлена практически на любых длинах волн в пределах спектрального диапазона 0,340... 1,100 мкм.

2.3. Газы и плазма

2.3.1. Смеси нейтральных атомов

Энергетический спектр газа отличается от спектра твердого тела прежде всего тем, что он весьма точно соответствует энергетическим уровням отдельных атомов и молекул, то свойство газов позволяет предсказать множество воз-