c(=f2Miat

Рис. 6.14. Падение мощности генерации Sr непрерывного лазера на основе GaAs с продольной сканирующей накачкой с ростом температуры криостата Tq.

На вставке показаны ватт-амперные характеристики (В. И. Козловский, А. С. Насибов, В. П. Резников, 1982 г.)

SO во

f20 Го, К

где S - сечение электронного пучка; уе - число свободных электронов, возникших в активной области под действием одного быстрого электрона. Так как электроны за пределами активной области не дают вклада в генерацию, то в (6.7) 7e<£o/3£g. Все остальные обозначения прежние. Подробный анализ этой формулы дан в § 3.2.

На опыте изучалась зависимость мощности генерации от величины пропускания второго зеркала (1-Г2). Установлено, что имеется оптимальное значение пропускания, при котором Sr достигает максимального значения. Следовательно, имеется оптимальный коэффициент потерь при заданных условиях возбуждения. С ростом температуры мощность генерации резко падает до нуля (рис. 6.14), и чем выше температура криостата 7"о, тем меньше ток срыва генерации.

Если возбуждать полупроводник короткими импульсами тока, то мощность генерации может быть повышена на пять - семь порядков и достигает десятков киловатт. Энергия одного импульса излучения при этом, естественно, остается небольшой.

Для дальнейшего повышения мощности создаются многоэлементные лазеры. В частности, на пластине из сульфида кадмия площадью 7 см, разделенной канавками с шагом примерно 0,3 мм, получена импульсная мощность 9 МВт при £о = 200 кэВ, Д/в=10 не и / = = 10 А/см. При £о = 400 кэВ мощность достигала 17 МВт. С одного квадратного сантиметра площади монокристалла GaAs получена мощность 1,7 МВт. Энергия одного импульса 17 мДж. Такие мощности в сине-зеленой области спектра, соответствующей окнам прозрачно-

Рис. 6.15. Переносной импульсно-периодический полупроводниковый лазер на основе ZnO (Хг = 394,6 нм), ZnSe (Хг = 477,5 нм) и CdS (Хг = 526,4 нм) с накачкой электронным пучком (О. В. Богдаикевич, М. .М. Зверев, С. П. Копыт и др., 1987 г.)

сти морской воды и атмосферы, представляют значительную практическую ценность.

КПД генерации. Максимальный коэффициент полезного действия лазера т) с заданной активной средой достигается при выполнении двух условий (см.§ 3.2):

dj дк„

Они реализуются на линейном участке зависимости мощности генерации от тока, когда можно пользоваться формулой (6.7). Учитывая, что мощность проникших в кристалл электронов равна SjEo/e, для т) получим выражение

Л = Лг

£0

(1-/п )

(6.8)

Кг + р

Для соответствующих условий эксперимента отношение КПД лазера с электронным возбуждением Це к КПД инжекционного лазера r\j равно

1 eU

[l+Rojm/U).

Поскольку eU/Eg близко к единице, /?о/инж может быть значительно меньше U, то из последней формулы следует, что КПД лазера с электронным возбуждением при прочих равных условиях почти в три раза меньше КПД лазерных диодов и не превышает 20%. На опыте одноэлементный лазер на основе GaAs характеризуется значением

11е=8...10%. В многоэлементных, лaзq)ax значение снижается до 4...5%, поскольку энергия внешних электронов расходуется на возбуждение разделительных канавок, не дающих вклада в генерацию.

Вопросы и задачи

6.1. Чем обусловлены нижняя и верхняя границы энергии быстрых электронов, используемых для возбуждения генерации? 6.2. Запишите функцию приближенного распределения по глубине образца потерь энергии электронов на ионизацию. 6.3. Полупроводниковая пластина возбуждается бесконечно тонким пучком электронов. Постройте качественные кривые равной концентрации электронов. 6.4. Ширина запрещенной зоны полупроводника равна 2,5 эВ. Сколько свободных электронов п генерируется при попйдании на него одного электрона с энергией 75 кэВ? 6.5. Для каких целей применяются неустойчивые резонаторы? 6.6. Почему пороговый ток пластинчатых лазеров на основе GaAs в интервале значений энергии быстрых электронов £о = 20...60 эВ не зависит от £о? Какие факторы определяют рост порога генерации с увеличением диаметра пучка возбуждающих электронов? 6.7. В каком спектральном диапазоне работают полупроводниковые лазеры всех типов? 6.8. Какие теоретические результаты, полученные для инжекционных лазеров, можно использовать при изучении лазеров с электронным возбуждением и почему? 6.9. Сравните порог, мощность и КПД генерации инжекционных лазеров и лазеров с электронной иакачкой. Чем обусловлены различия в величинах?

Возбуждение

генерации электрическим и магнитным полями

Глав а 7. ВОЗБУЖДЕНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ

§7.1. СВОЙСТВА СТРИМЕРНЫХ РАЗРЯДОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В настоящей главе рассматриваются три разновидности полупроводниковых лазеров: стримерные лазеры, лазеры на эффекте Ганна и длинноволновые лазеры, возбуждаемые скрещенными электрическим и магнитным полями.

Возбуждение стримеров. Стример, или стримерный разряд,- разновидность неполного электрического пробоя твердых тел, когда токопроводящие каналы прорастают в глубь кристалла, но замыкания электродов не происходит.

Как физическое явление электрический пробой в виде искрения натертого янтаря и молнии известен так же давно, как и само электричество. С конца XVIII в. после создания батарей лейденских банок, гальванических элементов и индукционных катушек, позволяющих получать высокие напряжения, началось систематическое изучение пробоя газов, жидкостей и твердых тел. Электрическая прочность вещества была определена как минимальная напряженность электрического поля, необходимая для возникновения искрового пробоя.

Различают собственно электрический, электротепловой и электрохимический пробои твердых диэлектриков. По-видимому, в развитии всех видов пробоя можно выделить первую фазу, когда происходит только потеря электрической прочности материала и возникают токопроводящие каналы. И лишь на последующих стадиях начинаются тепловые и химические превращения вещества, механические разрушения.

В электро- и радиотехнике с момента их возникновения и до настоящего времени электрический пробой рассматривается в основном как нежелательное явление.

Ближнее поле излучения стримерного разряда в CdS