Что такое полупроводниковые лазеры?

Сейчас созданы самые разнообразные лазеры. Можно сказать, не преувеличивая, что ученые располагают лазерами на любой вкус и цвет, излучающими почти все длины волн ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра.

Иногда различным лазерам приходится работать рядом друг с другом. Однажды, например, в нашу физическую лабораторию обратились за помощью хирурги, которым для проведения сложных операций требовался хороший оптический «скальпель». Необходимой мощностью излучения обладал лазер, испускавший невидимые инфракрасные лучи. Хирурги не видели луча, а работать вслепую таким грозным оружием — опасно. Тогда мы вместе сделали оптическую систему, где вплотную с невидимым лучом шел более слабый, но яркий и заметный красный луч рубинового лазера. Оказалось, что лазерный луч тоже можно подкрасить…

Сейчас во многих странах мира ведутся работы по созданию лазеров, которые будут служить источниками мощного рентгеновского и гамма-излучения. Такие лазеры очень нужны физикам, химикам, врачам, биологам.

Длительное время ученым не удавалось увеличить КПД световых лазеров — слишком много энергии приходилось тратить на «раскачку» атомов и молекул внутри лазерного вещества. Несмотря на высокие мощности излучения, испускаемого лазерами, подводимая к кристаллу энергия в сотни раз превышала излучаемую. А это означало, что лазер невыгодно использовать для передачи больших количеств энергии.

Наконец исследователи сумели подобрать смесь газов — двуокись углерода с примесью азота и гелия, в которой сравнительно мало энергии теряется по пути превращения в полезное излучение. К кварцевой трубке, наполненной такой газовой смесью, приложены электроды от источника высокочастотного напряжения. «Накачивать» газовый лазер светом не стоит — излучение лампы-вспышки проходило бы сквозь прозрачный газ и подводимая энергия пропадала бы впустую.

Верхние уровни азота и двуокиси углерода находятся на одинаковой энергетической высоте над основным «спокойным» состоянием газовых молекул. Под действием электрических разрядов сначала возбуждается азот и быстро, без потерь энергии, передает электроны на верхний стабильный уровень двуокиси углерода. На этом уровне электроны накапливаются. При одновременном переходе электронов на нижний уровень двуокиси углерода высвечивается мощное невидимое инфракрасное излучение с длиной волны 10,6 микрона. Коэффициент полезного действия таких лазеров достигает уже сейчас 30 — 40\%, причем мощность их излучения составляет больше 10 кВт в одном пучке при непрерывном режиме работы!

Разработаны проекты больших солнечных электростанций — спутников Земли,передающих вырабатываемую энергию на Землю с помощью лазерных лучей или электромагнитного излучения высокой частоты.

Сразу стали рождаться смелые проекты передачи энергии с космических солнечных электростанций на Землю с помощью невидимого лазерного излучения.

Энергетически выгодно использовать такие лазеры и для нагрева плазмы в термоядерном реакторе до нескольких миллионов градусов. Достижения ядерной физики и квантовой электроники, несомненно, позволят человеку в ближайшем будущем обратить себе на пользу энергию термоядерного синтеза.

Значительно меньшие мощности излучения удается получить в полупроводниковых лазерах, например, из таких материалов, как фосфид и арсенид галлия. Но зато это лазеры-малютки: их габариты едва превышают размеры светлячков в лесу…

Полупроводниковые лазеры, как и газовые, начинают работать при пропускании через кристалл электрического тока, что, конечно, очень удобно. Мы ведь привыкли к тому, что освещение в комнате зажигается после поворота электрического выключателя!

Однако недавно ленинградским физикам удалось создать полупроводниковые лазеры, возбуждаемые коротковолновым светом. В тонкой пластинке тройного полупроводникового соединения, состоящего из алюминия, мышьяка и галлия, за счет ступенчатого распределения алюминия (в середине его меньше, у обеих граней — больше) можно создать энергетическую трехуровневую схему, очень похожую на ту, которая была осуществлена в газовых лазерах.

Правильнее такие полупроводниковые лазеры было бы назвать переизлучающими структурами: падающее на них излучение одного цвета превращается в свет совсем другого цвета. Процесс происходит почти без потерь — эффективность переизлучения достигает 96—98\%!

Мы стоим в одной из комнат лаборатории, руководимой академиком Ж. И. Алферовым, в Физико-техническом институте АН СССР им. А. Ф. Иоффе в Ленинграде. Жорес Иванович и его сотрудники демонстрируют московским коллегам эффектный опыт: яркий зеленый луч от газового аргонового лазера падает на крохотный полупроводниковый лазер — переизлучающую структуру. Под натиском зеленого луча полупроводниковая структура «выстреливает» яркий красный луч! Доктора наук В. М. Андреев из Ленинграда и М. Б. Каган из Москвы устанавливают на пути красного луча многослойный фотоэлемент, верхний слой которого тоже изготовлен из тройного соединения алюминия, галлия и мышьяка. Такой фотоэлемент имеет коэффициент преобразования красных лучей в электроэнергию выше 56\%. Никогда раньше не удавалось на практике с таким высоким КПД превратить лазерный свет в электричество!

Еще одним немаловажным обстоятельством был знаменателен наблюдавшийся нами опыт: дружно и согласованно «работали» вместе два устройства — лазер и фотоэлемент, которым выпала трудная честь доказать справедливость квантовой теории.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.