Разработка учебного пособия по теме: «Полупроводниковые лазеры»

МБОУ «Лудорвайская СОШ им. Героя Советского Союза А.М. Лушникова»

Разработка учебного пособия по теме:

«Полупроводниковые лазеры»

Выполнил:

Учитель физики

Зорина Екатерина Сергеевна

д. Лудорвай

Введение 3

1. Лекция на тему: «Полупроводниковые лазеры» 5

2. Контрольное задание 14

3. Практическое задание по теме: «Полупроводниковые лазеры» 17

Заключение 18

Список литературы 19

Приложения 22

Введение

Термин «лазер» появился сравнительно недавно. Появление лазеров – одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.

Впервые генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 году. Советскими физиками А.М.Прохоровым и Н.Г.Басовым и американским физиком Ч.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.

Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан американским ученым Т.Мейманом в 1960 году. Начальные буквы основных компонентов английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора – лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.

Цели учебного занятия:

- образовательные:

• ознакомить обучающихся с понятием лазер и его видами;

• сформировать знания о полупроводниковом лазере и его особенностях;

• ознакомить обучающихся со строением и принципом работы полупроводникового лазера;

• ознакомить обучающихся с применением полупроводникового лазеры.

- развивающие:

• сформировать умения и навыки учения и самообучения, потребность в самообразовании;

• развить познавательный интерес к физическим знаниям;

• развить познавательные способности (память, внимание, наблюдательность, речь и т.д.);

• развить творческие способности, умения делать самостоятельные выводы;

- воспитательные:

• привить устойчивый интерес к физической науке, самостоятельность в приобретении знаний;

• воспитание трудолюбия, настойчивости в преодолении трудностей и т.п.

Целями данного занятия являются ознакомление с полупроводниковым лазером, его особенностями и принципом работы, а также с применением.

Лекция на тему: «Полупроводниковые лазеры»

1. Лазеры

Лазер – источник рассеиваемого поляризованного узконаправленного потока излучения с единой длиной волн, получающий энергию от заряженного кристалла.

Лазер является устройством, генерирующим электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолета (УФ, порядка 0,1 нм) до субмиллиметрового инфракрасного (ИК) за счет вынужденного испускания или рассеяния света активной средой, помещенной в оптический резонатор.

Рис.1. Оптический диапазон электромагнитных излучений

Устройство лазера

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

1. Активная (рабочая) среда;

2. Система накачки (источник энергии);

3. Оптический резонатор (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда – усиливает световой поток. Система накачки, т.е. источник энергии – селективно накачивает энергию в активную среду. Оптический резонатор – накапливает часть индуцированного излучения, создает положительную обратную связь.

Рис.2. Устройство лазера: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Принцип работы лазера заключается в том, что если с 2 сторон рубина, который играет роль усилителя, т.е. является активной средой, поставить параллельно зеркало, одно из которых непрозрачное, а другое прозрачное создать мощную вспышку, свет будет бегать между зеркалами, отражаясь друг от друга и усиливаясь в активной среде пока не превратиться в лазерный луч.

Нет одного универсального источника излучения, и существуют следующие типы лазеров, которые хорошо разработаны и нашли широкое применение:

1) твердотельные (на кристаллах и стеклах);

2) газовые;

3) лазеры на красителях;

4) химические;

5) полупроводниковые;

6) лазеры на центрах окраски;

7) лазеры на свободных электронах;

8) рентгеновские.

2. Полупроводниковый лазер

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым. Уже в 1958 году Н.Г. Басовым и его сотрудниками было указано на возможность использования полупроводниковых материалов в качестве активных сред. И тогда же отмечалось, что применение полупроводников даст возможность непосредственно преобразовывать энергию электрического тока в энергию когерентного излучения. Впоследствии Н.Г. Басову, Ю.М. Попову, О.Н. Крохину, А.Е. Шотову была присуждена Ленинская премия за создание полупроводникового лазера.

Полупроводниковый лазер – это устройство, на основе кристаллического полупроводникового материала, генерирующее интенсивный когерентный световой поток в узком диапазоне частот или длин световых волн в определенном направлении при приложении электрического напряжения смещения к его внешним электродам.

Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковые лазеры существенно отличаются от лазеров других типов.

Особенности полупроводниковых лазеров

1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала.

2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.

3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависит от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).

4. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы (рис. 3). Нижняя представляет собой валентную зону, а верхняя – зону проводимости.

В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны.

Если на полупроводник подействовать электрическим током или световыми импульсами, то часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называют «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда.

Рис. 3. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера

Произойдет перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить, в определенном смысле, о перенаселенности верхней энергетической зоны. В некоторых полупроводниках, подобных арсениду галлия, в результате обратного перехода электронов из зоны проводимости с более высокого уровня в валентную зону и их соединения с дырками, т. е. при рекомбинации разноименных носителей заряда, происходит излучение фотонов.

Рекомбинация – исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.

Для уменьшения ширины запрещенной зоны в полупроводник вводят примеси, которые создают отдельные местные энергетические зоны. Чтобы создать инверсную населенность, используют различные методы — либо перевозбуждают с помощью оптического излучения, либо ударной ионизацией, либо с помощью импульсов электрического тока. Последний метод позволяет получить инверсную населенность в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны. Это приводит к тому, что возникают предпосылки к получению излучения в диапазоне от далекой инфракрасной области до ультрафиолетовой. При этом сравнительно легко получить кпд около 40...50%.

Схема полупроводникового лазера.

Здесь в качестве активного вещества используется арсенид галлия, содержащий примеси n-типа, концентрация которых составляет  .

Рис. 4. Схема полупроводникового лазера

Из этого материала делается заготовка в форме параллелепипеда или куба. Она обычно называется полупроводниковым диодом. Размеры диода очень невелики и составляют доли миллиметра. Диод припаивают к молибденовому основанию, покрытому золотом, с тем, чтобы обеспечить контакт с n-областью. На поверхность p-областей наносят сплав золота с серебром. Торцы диода играют роль зеркал, поэтому они тщательно полируются, а стороны их делают параллельными, чтобы они играли роль резонатора. Излучение выходит именно из этих сторон диода. Верхняя и нижняя стороны являются контактами, к которым прикладывается напряжение. В начальный период, когда сила тока, протекающего через диод, невелика, ширина спектральной полосы излучения довольно большая (рис. 5), а при превышении током порогового значения полоса резко сужается. Пространственное излучение лазерного диода имеет форму лепестка. Лазерный диод может работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Рис. 5. Спектральная характеристика полупроводникового лазера

И весьма важным достоинством такого лазера является то, что излучение на его выходе очень просто модулировать. Для этого достаточно модулировать ток, питающий его, и тогда излучение на выходе будет промодулировано с той же частотой. В качестве активного вещества используют также фосфид галлия, сурьмянистый индий, сурьмянистый галлий, арсенид-фосфид-галлия и др.

Один из первых образцов полупроводниковых лазеров был представлен на Лейпцигской ярмарке в. 1965 году. Он имеет марку «Луч-3».

Рис.6. Оптический генератор на полупроводниковом диоде

из арсенида галлия «Луч-3»

Размеры кристалла из арсенида галлия составляли . Он находился в термостате с жидким азотом при температуре минус 196°С. Работал в импульсном режиме на волне , имея длительность около 2 мкс. Мощность Излучения в импульсе достигала 10 Вт.

Таблица №1. Материалы для изготовления полупроводниковых лазеров.

Достоинства полупроводникового лазера

1. Компактность. Полупроводниковые лазеры изготавливаются на одном чипе. Это позволяет легко встраивать их в различные более сложные конструкции.

2. Высокая эффективность (КПД), достигающая 50 %. Это позволяет изготавливать лазеры с низким потреблением электрической энергии по сравнению с другими типами лазеров.

3. Непосредственное преобразование электрической мощности в световой поток. Возможность встраивания лазерных конструкций в современные интегральные схемы.

4. Малые световые потери в активной области. Возможность функционирования при комнатных и более высоких температурах.

К недостаткам следует отнести крайнюю чувствительность к изменениям температуры, что нежелательно во многих приложениях. Другим недостатком является сильная расходимость светового пучка лазерного диода даже на небольших расстояниях от излучающей свет грани лазерного диода.

3. Применение проводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры находят сегодня целый ряд важ­ных применений в различных областях.

Их используют в таких областях:

1. Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.

2. Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.

3. Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.

4. Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.

5. Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.

6. Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.

7. Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.

8. Производство систем зажигания и системах противовоздушной обороны.

Контрольные задания по теме: «Полупроводниковые лазеры»

1. Дать определение следующим терминам:

Лазер -_________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Когерентные волны - _____________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­_________________________________________________________________

Рекомбинация -__________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Вставить пропущенные слова.

В ______ году советским физиком ____________ и его сотрудниками было указано на возможность использования полупроводниковых материалов в качестве _________________.

Чем ___________ энергии высвободилось при _________________ одной пары электрод-дырка, тем ____________ длина волны излучаемого света.

3. Обозначить составные элементы лазера.

4. Дать определение полупроводниковому лазеру и области его применения.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Сделать вывод из представленного ниже графика спектральной характеристики полупроводникового лазера.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Раскрыть принцип работы полупроводникового лазера и заполнить недостающие элементы схемы.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическое задание по теме:

«Полупроводниковые проводники»

В данном практическом занятии была использована педагогическая технология «Опорные конспекты», обучающимся было предложено во время проведения лекции по теме: «Полупроводниковые лазеры» составление опорных конспектом в личных тетрадях, по которым в следствии обучающиеся могли воспроизвести прочитанную им тему.

Основные требования к составлению опорного конспекта:

1. Соблюдать полноту изложения информации.

2. Не следует выбрасывать из материала важные, ключевые слова.

3. Излагать данные лаконично и последовательно. Структурировать записи. Легкость восприятия информации зависит от того, насколько проста и понятна структура.

4. Расставлять акценты с помощью различных способов оформления – рамок, шрифтов, цветов, графиков и схем.

5. Применять сокращения и условные обозначения при записи. Необходимо использовать общепринятые сокращения и обозначения, наиболее сложные выносить на поля с расшифровкой.

Пример опорного конспекта в приложении №2.

Заключение

Таким образом, мы видим, что лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности.

Следует заметить что, высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.

Сами же полупроводниковые лазеры занимают заметную нишу в науке и приборостроении в целом. Они постоянно модернизируются и в скором будущем мы увидим что-то новое ранее не известное.

Основная литература:

1. Федоров Б.Ф., Лазеры. Основы устройства и применение. – М.: ДОСААФ, 2009. – 190 с.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. – М.: Просвещение, 2013. – 254 с.
   Дополнительная литература:

3. Крылов К.И., Основы лазерной техники. – М.: Машиностроение, 2015. – 321 с.

4. Брюннер В. Юнге К. Справочник по лазерной технике / под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 196 с.

Интернет-ресурсы:

1. http://megabook.ru/article/Лазер – Лазер.

2. http://fb.ru/article/43236/primenenie-lazerov – Применение лазеров.

Приложение 1

Таблица 1. Понятийно-терминологический словарь по теме:

«Полупроводниковые лазеры»

Приложение 2

Пример опорного конспекта

Лазер – устройство, генерирующее электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолета (УФ, порядка 0,1 нм) до инфракрасного (ИК) за счет вынужденного испускания или рассеяния света активной средой, помещенной в оптический резонатор.

Строение лазеры