История лазера. Научное издание
Шрифт:
Немного позднее и независимо Фриц Шэфер, который тогда работал в университете Марбурга (Германия), изучая характеристики насыщения некоторых органических красителей семейства цианинов, получил такой же эффект. Он изучал свет, испускаемый красителем, накачиваемым мощным рубиновым лазером с модуляцией добротности. Его студент Волце, исследуя спектры растворов с высокой концентрацией получил сигналы в тысячи раз сильнее, чем ожидалось. Вскоре оба исследователя поняли, что они имеют дело с лазерным эффектом. Вместе с аспирантом Шмидтом они сняли спектры при разных концентрациях, и впервые показали, что можно построить лазер, перестраиваемый по длинам волн в пределах 600 А, изменяя концентрацию или отражения зеркал резонатора. Вскоре этот результат был распространен на десяток разных красителей семейства цианинов. Возник целый поток результатов в этой области, и в тысячах красителей был получен лазерный эффект. Наконец, в 1969 г. Б. Снэвли и Шэфер показали возможность непрерывной генерации с использованием накачки аргоновым лазером раствора родамина: 6Ж.
Рти лазеры осуществили долго вынашиваемую мечту получить лазер, легко перестраиваемый РІ широком диапазоне частот. Лазер, перестраиваемый РЅР° требуемую длину волны, наконец-то родился! Красители интересны РІ качестве рабочих сред лазеров Рё РїРѕ РґСЂСѓРіРёРј причинам. РџРѕРґР±РѕСЂРѕРј красителя, растворителя, концентрации Рё толщиной кюветы легко получить лазер, генерирующий РЅР° нужной длине волны. Охлаждение активной среды, требуемое РІ любом лазере, легко достигается прокачкой раствора. Более того, РІ жидкости РЅРµ возникают необратимые повреждения, характерные для твердотельных сред.
В середине 1967 г. Б. Соффер и Б. МакФаллан заменили одно из зеркал резонатора отражающей дифракционной решеткой и получили лазер, плавно перестраиваемый по длинам волн в области более 400 А простым поворотом решетки.
Лазеры РЅР° красителях РІ настоящее время позволяют получать лазерное излучение РЅР° любой длине волны, РѕС‚ ближнего РРљ-диапазона РґРѕ ультрафиолета. Благодаря тому, что лазеры РЅР° красителях имеют чрезвычайно широкие полосы усиления, РѕРЅРё позволяют осуществлять режим генерации импульсов длительностью менее пикосекунды (1012 СЃ).
Лазерные диоды
Полупроводниковые или диодные лазеры очень важны для РјРЅРѕРіРёС… применений. Р’ РЅРёС… используются РЅРµ СѓСЂРѕРІРЅРё, Р° энергетические состояния нелокализованных электронов. Р’ твердых телах энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё электронов группируются РІ Р·РѕРЅС‹. РџСЂРё температуре абсолютного нуля РІ полупроводниках, РІСЃРµ имеющиеся СѓСЂРѕРІРЅРё заполняют РѕРґРЅСѓ Р·РѕРЅСѓ (валентная Р·РѕРЅР°), Р° последующие свободные СѓСЂРѕРІРЅРё группируются РІ РґСЂСѓРіРѕР№ Р·РѕРЅРµ (Р·РѕРЅР° проводимости), которая совершенно РЅРµ заполнена Рё отделена РѕС‚ валентной Р·РѕРЅС‹ некоторым промежутком энергий, для которых нет состояний. Ртот интервал называется запрещенной Р·РѕРЅРѕР№ (энергетической щелью). Р’ этих условиях материал РЅРµ может проводить ток Рё является изолятором. РљРѕРіРґР° температура увеличивается Рё если Р·РѕРЅР° проводимости расположена РѕС‚ валентной Р·РѕРЅС‹ РЅРµ слишком высоко, термическое возбуждение достаточно, чтобы некоторые РёР· электронов перескочили РІ Р·РѕРЅСѓ проводимости. Поскольку там РІСЃРµ СѓСЂРѕРІРЅРё пустые, РѕРЅРё СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ обеспечить электрический ток. Однако РёР·-Р·Р° того, что РёС… мало, величина тока невелика. Соответственно материал становится проводящим СЃ плохой проводимостью, С‚.Рµ. полупроводником. Рлектроны, которые СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать ток РІ Р·РѕРЅРµ проводимости, оставляют вакантными состояния РІ валентной Р·РѕРЅРµ. Рти вакантные состояния, которые называются дырками, ведут себя как положительно заряженные частицы Рё также участвуют РІ проводимости. Р’ чистом полупроводнике термическое возбуждение РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚ электроны РІ Р·РѕРЅРµ проводимости Рё дырки РІ валентной Р·РѕРЅРµ РІ равных количествах.
Рлектроны Рё дырки, способные поддерживать ток, называются носителями. Если РїРѕ какой-либо причине РІ Р·РѕРЅРµ проводимости оказывается больше электронов, чем следует РїРѕ статистике Максвелла-Больцмана, избыток электронов падает РЅР° вакантные энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё валентной Р·РѕРЅС‹ Рё таким образом возвращается РІ валентную Р·РѕРЅСѓ Рё там исчезает дырка. РўРѕ же самое РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, если, наоборот, больше дырок присутствует РІ валентной Р·РѕРЅРµ, чем допускается данной температурой. Ртот процесс называется рекомбинацией РґРІСѓС… носителей. РћРЅ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, давая энергию, соответствующую величине интервала между РґРІСѓРјСЏ зонами, которая проявляется либо РІ РІРёРґРµ механических колебаний решетки, либо РІ РІРёРґРµ испускания фотона. Р’ последнем случае переход называется излучательным, Р° энергия фотона соответствует разности энергий уровней РІ валентной Р·РѕРЅРµ Рё РІ Р·РѕРЅРµ проводимости, С‚.Рµ., РіСЂСѓР±Рѕ РіРѕРІРѕСЂСЏ, равной энергии запрещенной Р·РѕРЅС‹.
Некоторые полупроводники РЅРµ вполне чистые. Примеси образуют энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё электронов внутри Р·РѕРЅ. Если эти дополнительные СѓСЂРѕРІРЅРё находятся вблизи РґРЅР° Р·РѕРЅС‹ проводимости, термическое возбуждение заставляет РёС… электроны перепрыгнуть РІ Р·РѕРЅСѓ проводимости, РіРґРµ РѕРЅРё СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать электрический ток. РЈСЂРѕРІРЅРё примеси остаются пустыми Рё, поскольку РѕРЅРё фиксированы РІ материале, РЅРµ СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать ток. Р’ этом случае единственными носителями тока являются электроны РІ Р·РѕРЅРµ проводимости, Рё полупроводник называется допированным n-типом (n напоминает, что проводимость обеспечивается отрицательными зарядами). Наоборот, если СѓСЂРѕРІРЅРё примеси располагаются вблизи верха валентной Р·РѕРЅС‹, термическое возбуждение заставляет электроны РёР· валентной Р·РѕРЅС‹ перепрыгнуть РЅР° эти примесные СѓСЂРѕРІРЅРё, образуя тем самым дырки, которые СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ поддерживать ток. РўРѕРіРґР° полупроводник называется p-типом (p для положительного заряда). Возможно так допировать полупроводник, что получаются области как p-типа, так Рё n-типа СЃ СѓР·РєРѕР№ промежуточной областью между РЅРёРјРё. Ртот промежуток между различными областями называется p-n-переходом. Если заставить ток протекать через этот переход, делая n область отрицательной Рё p область положительной, электроны инжектируются РІ этот переход. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ этого свойства были изобретены РІ конце 1940-С… РіРі. транзисторы, вызвавшие революцию РІ РјРёСЂРµ электроники.
Хотя полупроводники были известны давно, РёС… физика была полностью понята только после изобретения транзистора РІ 1948 Рі. Можно тем самым понять, что были некоторые сомнения РІ возможности РёС… использования для лазера. Р’Рѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае полупроводники были первыми, рассмотренными как возможная среда для получения излучения путем стимулированного испускания. Р’ то время были выдвинуты различные предложения. Р’ 1954 Рі. Джон фон Нейман обсуждал СЃ Джоном Бардиным (РѕРґРёРЅ РёР· изобретателей транзистора) возможность использования полупроводников. Тремя годами позднее, РІ 1957 Рі., произошел подлинный взрыв. Р’ РЇРїРѕРЅРёРё 22 апреля 1957 Рі. был выдан патент Ватанабе Рё Нишизава, РІ котором рассматривалось рекомбинационное излучение, получающееся РїСЂРё инжекции свободных носителей РІ полупроводнике. Позднее РѕРЅ был опубликован 20 сентября 1960 Рі. Патент назывался полупроводниковый мазер, Рё, как пример, рассматривалось рекомбинационное свечение РІ теллуре РЅР° длине волны около 4 РјРєРј, С‚.Рµ. РІ ближнем РРљ-диапазоне. Авторы наивно рассматривали полупроводник, помещенный РІ резонаторе, типичном для микроволновой области. РќРѕ концепция использовать инжекцию носителей Рё РёС… рекомбинационное излучение была озвучена. Р’ Линкольновской лаборатории MIT физик Бенжамен Лэкс провел РІ 1957 Рі. семинар СЃ участием Пьера РРіСЂСЌРЅР° (19242002) РёР· Парижа, Рё начались исследования переходов РІ РіСЂСѓРїРїРµ энергетических уровней, которые возникают, РєРѕРіРґР° полупроводник помещается РІ сильное магнитное поле (подобные тем, что работают РІ трехуровневом мазере Бломбергена). Рдеи РРіСЂСЌРЅР° были представлены РЅР° международной конференции РїРѕ физике твердого тела РІ электронике Рё телекоммуникациям. РћРЅР° проходила РІ 1958 Рі. РІ Брюсселе, Рё РЅР° ней обсуждалась возможность использования полупроводников для продвижения мазерного эффекта РІ область оптических частот. Однако труды этой конференции РЅРµ были опубликованы.
Р’ бывшем Советском РЎРѕСЋР·Рµ РіСЂСѓРїРїР° ученых Рнститута РёРј. Рџ.Рќ. Лебедева (Р¤РРђРќ) РђРќ РЎРЎРЎР , возглавляемая Рќ.Р“. Басовым, РІ составе Р‘.Рњ. Вула Рё Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІР°, начала РІ 1957 Рі. рассматривать возможность использования полупроводников для продвижения излучения мазера РІ оптический диапазон. Басов начал рассмотрение этой проблемы вместе СЃ Поповым, который тогда работал РІ лаборатории люминесценции. РћР±Р° исследователя познакомились, РєРѕРіРґР° были студентами РІ РњРР¤Р. Физика полупроводников изучалась РІ Р¤РРђРќРµ РІ лаборатории полупроводников, которой СЂСѓРєРѕРІРѕРґРёР» Бул. Поэтому РѕРЅ, естественно, принимал активное участие. Р’ результате сотрудничества этих трех ученых появилось предложение лазерной системы СЃ использованием электрического разряда. РћРЅРѕ было опубликовано РІ РёСЋРЅРµ 1958 Рі. Рё обсуждалось Басовым РЅР° Западе РЅР° Первой конференции РїРѕ квантовой электронике, организованной Таунсом РІ РЎРЁРђ. Ртой работы РЅРµ было РІ программе, Рё РѕРЅР° была представлена РЅР° обеде (полупроводниковый лазер, работающий РЅР° этом принципе, был создан РјРЅРѕРіРѕ позже, РІ 1968 Рі., РІ РіСЂСѓРїРїРµ Басова). Позднее, РІ 1960-61 РіРі., эта РіСЂСѓРїРїР° предложила еще три метода возбуждения: электронный пучок, оптическая накачка Рё инжекция электронов через p-n-переход. Авторами этих предложений были Рќ.Р“. Басов, Р®.Рњ. РџРѕРїРѕРІ Рё Рћ.Рќ. РљСЂРѕС…РёРЅ. Выполнялись также экспериментальные исследования. Р’ 1959 Рі, РІ Р¤РРђРќРµ РїРѕРґ руководством Басова была начата программа Фотон, которая была первой научной программой РІ РЎРЎРЎР РїРѕ разработке лазеров.
Возможность использования полупроводников рассматривалась в США и обсуждалась в 1959 г. в MIT Кромером и Цайгером. В 1960 г. Бойль и Томас из Bell Labs получили патент на использование полупроводников для создания лазера.
Тем временем, в 1961 г., двумя французскими исследователями М. Бернардом и Г. Дурафургом из Национального исследовательского центра телекоммуникаций (CNET) был получен важный теоретический результат. Они представили полное и исчерпывающее обсуждение, из которого следовала возможность вынужденного излучения в полупроводниках благодаря переходам между зоной проводимости и валентной зоной. Были получены фундаментальные соотношения, из которых следовала возможность получить лазерный эффект. Они также рассмотрели некоторые материалы, в которых можно ожидать выполнение нужных условий, и предложили среди других материалов полупроводники GaAs (арсенид галлия) и GaSb (антимонид галлия). После публикации этой работы многие группы начали активные исследования. В январе 1962 г. российский ученый Д.Н. Наследов и его коллеги из Физико-технического института АН СССР(г. Ленинград) сообщили, что ширина линии излучения, испускаемого GaAs-диодами, демонстрирует некоторое уменьшение ширины при увеличении тока. Они предположили, что это могло указывать на вынужденное излучение. В США несколько групп из IBM, RCA, Линкольновской лаборатории MIT и General Electric (GE) начали соревновательную гонку, которая коротко описывается здесь.
В Ватсоновском исследовательском центре IBM P. Ландауер сформировал в 1961 г. небольшую группу для изучения проблемы систематическим путем. В. Думке из IBM показал, что простые (элементарные) полупроводники, такие как кремний и германий, которые широко используются в электронике, не пригодны из-за их структуры зон, и предложил использовать более сложные в структурном отношении полупроводники (полупроводниковые соединения), такие как арсенид галлия. У них минимум энергии зоны проводимости совпадает с максимумом валентной зоны (прямозонные полупроводники). В IBM были хорошие условия для изучения, поскольку уже началась программа для применений арсенида галлия в электронике.
Рзучением полупроводниковых соединений, особенно арсенидом галлия, занимались также РІ General Telephone and Electronics Laboratories (GT&E). Здесь работала РіСЂСѓРїРїР° РЎ. РњСЌР№Р±СѓСЂРіР°. Р’ марте 1962 Рі. РѕРЅ представил РЅР° заседании Американского Физического Общества работу РїРѕ электролюминесценции GaAs РґРёРѕРґРѕРІ РїСЂРё 77 Рљ, С‚.Рµ. излучение этих РґРёРѕРґРѕРІ, охлажденных РґРѕ температуры жидкого азота, РїСЂРё пропускании электрического тока. Было показано, что РїСЂРё определенных условиях почти каждый заряд, инжектированный через p-n-переход, дает фотон. Рто был результат, аналогичный тому, что получил Мейман для СЂСѓР±РёРЅР° (высокая квантовая эффективность) Рё указывал, что p-n-переходы являются идеальной системой, для получения лазерного эффекта.