Lazerlar fizikasidan laboratoriya ishlari
Yüklə 1,54 Mb. Pdf görüntüsü
|
|
3-laboratoriya ishi YARIM O’TKAZGICHLI LAZERNING ISHLASH PRINSIPLARINI O’RGANISH Ishning maqsadi: yarim o‘tkazgichli lazerning ishlash prinsipini o‘rganish va yarim o‘tkazgichli lazerning nurlanish quvvatini ineksiya tokiga eksperimental bog‘liqligini olish. Aksessuarlar va butlovchilar: yarimo‘tkazgich lazer, elektr metr. Referatlar: [1-8] NAZARIY KIRISH 1963 yilda Jores Alferov va Gerbert Kremer yarim o‘tkazgichli geterostrukturalar nazariyasini mustaqil ishlab chiqdilar, keyinchalik yarim o‘tkazgichli lazerlarni yaratishga asos bo‘ldi.Birinchi yarim o‘tkazgichli lazerlar, deb nomlangan"injection", gallium arsenide bir yarimo‘tkazgich kristalli 1962 yilda amalga oshirildi. Hozirgi vaqtda in‘ektsion lazerlar elektr energiyasini kogerent optik nurlanish energiyasiga aylantirish uchun oddiy, ixcham va yuqori samarali qurilmalar bo‘lib, ular keng amaliy dasturga ega.Yarim o‘tkazgichli lazer-elektr toki o‘tkazilganda kogerent nurlanish hosil qiluvchi optoelektron qurilma. Yarim o‘tkazgichli lazerlarning ko‘pchiligi lazer diodlari bo‘lib, unda p-n birikish mintaqasida elektr nasos yordamida populyatsiya inversiyasi yaratiladi. Shu bilan birga, shunday yarim o‘tkazgichli lazerlar ham mavjudki, ularda optik nasos natijasida lazer generatsiyasi sodir bo‘ladi.Hozirgi vaqtda yarim o‘tkazgichli lazerlar aloqa tizimlarida, sanoatning turli sohalarida, ilmiy tadqiqotlarda, oddiy iste‘mol buyumlarida, jumladan, musiqa markazlarida, kompakt disklarda (CD va DVD- ROM) ultra katta sig‘imli romlarda keng qo‘llanilmoqda. Yarim o‘tkazgichli lazerlarning bunday keng qo‘llanilishi ularni elektr toki bilan to‘g‘ridan-to‘g‘ri nasos bilan ta‘minlash imkoniyatidan kelib chiqadi. Yarim o‘tkazgichli lazerlar yuqori samaradorligi bilan ajralib turadi va keng spektral diapazonda ishlaydi. Yarim o‘tkazgichli lazer generatsiyasining to‘lqin uzunliklariga mos spektral diapazon 2.1-rasmda ko‘rsatilgan. 2.1. Turli xil lazer diodlarining spektral xarakteristikalari yarim o‘tkazgichli materiallar Yarimo‘tkazgichli lazerning fizik asoslari Yarimo‘tkazgich kristallarning tuzilish xususiyatlari ularda energetik holatlar zonalarining mavjudligiga olib keladi. Yarim o‘tkazgichli kristallarda elektronlarning energetik holatlari ma‘lum energiyaga ega bo‘lgan holatlar bilan ifodalanmaydi, balki keng polosalar-energetik zonalar orqali ifodalanadi (rasm. 2.2). Ruxsat etilgan energetik zonalar (valent tasma va o‘tkazish polosasi) bir-biridan kenglikdagi polosali bo‘shliq bilan ajralib turadi. Tarmoqli bo‘shliqning kattaligigako‘pligi yarimo‘tkazgichning eng muhim xususiyatlaridan biridir. Kristallning solishtirma o‘tkazuvchanligini va uning temperaturaga bog‘liqligini hamda yarim o‘tkazgichning shaffoflik oralig‘ini aniqlaydi. 2.2-rasm. Energetik zonalar diagrammasi va yarim o‘tkazgichli tuzilishdagi rekombinatsiya-nurlanish jarayonini tasvirlash. Yarim o‘tkazgichli lazerlarning ishlash prinsipini FIK yordamida juda sodda tushuntirish mumkin. 2.2 (a, b), yarimo‘tkazgichning valent polosasi V va o‘tkazuvchanlik polosasi S ni ko‘rsatib, energetik bo‘shliq bilan ajratgan. Mulohazaning soddaligi uchun yarimo‘tkazgich t q o k temperaturada deb faraz qilaylik. 2.2 a). Bundan ayrim elektronlar valent banddan qandaydir mexanizm bo‘yicha o‘tkazish bandiga ko‘chgan deb faraz qilaylik. Juda qisqa vaqtdan so‘ng (~1 ps) o‘tkazish polosasidagi elektronlar shu zonaning eng past bo‘sh sathlariga o‘tadi. Bu holda valent bandning yuqori qismida joylashgan elektronlar ham valent bandning eng pastki sathlariga o‘tib, shu tariqa bu zonaning yuqori qismida "teshik" lar qoldiradi(uz. 2.26). Shakl ichida kesilgan chiziqlar. 2.2 b.o‘tkazuvchanlik tasmasi uchun Fermi sathini E‘fc va shunga mos ravishda valent tasmasi uchun E‘fv ni ko‘rsating. Temperaturadagi E‘fc va E‘fv sathlar t q o K mos zonaning Fermi sathi uchun quyidagi holatlarni elektronlar to‘liq egallagan va undan yuqoridagi holatlarni bo‘sh bo‘lgan energiyani aniqlaydi. Agar o‘tkazuvchanlik bandidan elektron qayta valent bandga o‘tib, teshik bilan rekombinatsiya qilinsa, rekombinatsiya-emissiya jarayoni sodir bo‘ladi, natijada an‘anaviy yorug‘lik chiqaruvchi diodlarda (LED, yoki LED qisqartmasiga ega bo‘lgan) spontan nurlanish tarqaladi. Muayyan sharoitlarda yarim o‘tkazgichli tuzilmalarda majburiy rekombinatsion nurlanish jarayoni sodir bo‘lib, lazer hosil bo‘lishini ta‘minlaydi.2.3-rasmda p-n o‘tishning tipik energetik diagrammasi keltirilgan. O‘tkazuvchanligi har xil bo‘lgan ikki yarim o‘tkazgichli tuzilmalar orasidagi kontakt p-n birikmaning paydo bo‘lishiga olib keladi. Bu holda elektronlar teshik o‘tkazuvchanlikka ega zonaga, teshiklar esa elektron o‘tkazuvchanlikka ega zonaga diffuziyalanib, natijada hajm zaryadi p va potensiallar farqi VD Fermi sathlarining har xil o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan hududlarda mos kelishini ta‘minlaydi. 2.3-rasm. Energiya diagrammasi: a) nol ko‘chishda degenerat p-n birikish; b) p-n birikish uchun tarmoqli bo‘shliq kengligiga solishtirma musbat kuchlanish qo‘llanilganda darajali ko‘chish. Termodinamik muvozanatda elektronlar va teshiklar p-n birikma orasida mavjud bo‘lgan potensial to‘siq tufayli bir-biri bilan rekombinatsiya qila olmaydi. Agar p-n to‘siqqa oldinga yo‘nalishda tashqi kuchlanish qo‘llanilsa, potensial to‘siq kamayadi (rasm. 2.3 b). Shu bilan birga, elektronlar oqimi va ijobiy teshiklar qarama-qarshi yo‘nalishlarda paydo bo‘ladi. O‘tkazish bandidagi erkin elektronlar valent bandga, valent banddan teshiklar esa o‘z navbatida o‘tkazish bandiga suriladi. Natijada 2.3 B-rasmda ko‘rsatilgan teskari populyatsiyaga ega tor zona hosil bo‘ladi. Teskari populyatsiyaga ega bo‘lgan balka qalinligi asosan p-tip aralashmalar bilan doplangan qatlamdagi elektronlarning diffuziya doimiysi D va rekombinatsiya vaqti bilan aniqlanadi. Diffuziya doimiysi Dq10 sm2G‘s va kompleksliq10-8 s bo‘lgan Gaas strukturasi uchun aktiv muhitning qalinligi d kompleksli 1 mkm. Radiatsiya generatsiyasi aholi inversiyasi yaratilgan hududda elektronlar va teshiklar rekombinatsiyalanganda sodir bo‘ladi. Agar kvant energiyasiga ega bo‘lgan nurlanish Ec-Ev valent tasmaning shipidagi erkin holatlariga pastga yo‘nalgan. Agar degenerat yarim o‘tkazgich optik rezonatorga joylashtirilsa, unda chiqadigan fotonlar kristaldan yana va yana o‘tib, har safar fotonlarning yangi "ko‘chkilari" ni yaratadi, keyin har bir o‘tish bilan rezonatorlarning rezonans xususiyatlari tufayli yangi fotonlar energiyasining chastota diapazoni torayadi. Agar elektron-teshik juftining rekombinatsiyasi fononning qo‘zg‘alishi yoki yutilishi bilan kechmasa, bunday elektronni valent bandga o‘tishi bevosita deyiladi (rasm. 2.4). Bu holda, oldin va o‘tish keyin elektronning momenti saqlash qonuniga muvofiq teng zarba bo‘lishi kerak. Bilvosita o‘tishlarda nurlanishning yutilishi v ~ uzayishi G‘ h fononning qo‘zg‘alishi yoki yutilishi, ya‘ni EF ~ h energiyasining bir qismi bo‘lgan yarim o‘tkazgich kristall panjarasining tebranishi bilan kechadi, bu erda vzv-panjaraning tovush tebranishlari chastotasi. 2.4-rasm. Yarim o‘tkazgichda bevosita va bilvosita o‘tishlar, P - mos keluvchi impuls kristall panjaraning tebranishlari Rekombinatsiya uchun to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘tishlarda elektron va teshik deyarli teng, ammo qarama-qarshi impulslarga ega bo‘lishi kerak. Uchta zarracha ishtirokida radiatsion o‘tishlar ehtimoli ikkitadan past bo‘lgani uchun, shuning uchun to‘g‘ridan-to‘g‘ri bandli bo‘lmagan yarim o‘tkazgichlarda radiatsion rekombinatsiya ehtimoli doimo bevosita bandlilarga nisbatan kam bo‘ladi. Shunday qilib, optoelektron qurilmalar uchun spektral diapazoni fundamental yutilish mintaqasida yotadigan to‘g‘ri chiziqli energetik tuzilishga ega yarim o‘tkazgichli birikmalardan foydalangan ma‘qul Sof, tozalanmagan yarim o‘tkazgichli materiallarda bir vaqtning o‘zida elektronlar va teshiklarning degenerasiyasini olish deyarli mumkin emas. Agar kristallga donor elektronlarni berib, ma‘lum aralashmalar kiritilsa (sathi o‘tkazish polosasi ek ning pastki qismiga yaqin joylashgan), u holda n- tip yarim o‘tkazgich yaratilishi mumkin. Vaziyat p-tip yarimo‘tkazgichda o‘xshash bo‘lib, uning atomlari akseptor elektronlarni valent bandi ev qirrasi yaqinida energetik sathlar hosil qiluvchi qabul qiladi. Nopoklik yarim o‘tkazgichlarda elektronlar yoki teshiklarning degenerasiyasi yarim o‘tkazgichning doping darajasini nazorat qilish orqali osongina olinadi. Majburiy o‘tishlar tufayli nurlanish orttirmasi yarimo‘tkazgich kristalldagi yo‘qotishlariga teng bo‘lgan minimal tok Ostona deyiladi. P-n kavsh qaytarishdagi inversiya holati kavsh qaytarishdagi elektr maydoni qanchalik yuqori bo‘lsa, ya‘ni bu kavsh qaytaruvchi orqali tok oqimi shunchalik katta bo‘ladi. Dastlab, past oqim qiymatlarida spontan nurlanish (rekombinatsion luminesans) kuzatiladi va barcha yo‘nalishlarda tarqaladi. Qarama-qarshilik ortgan sari tok stimullangan nurlanish uchun sharoit yaratilgan Pol qiymatiga erishadi va p-n tutashma tekisligida yo‘nalgan monoxromatik yorug‘lik nurini chiqaradi. Qarshi lazer blok diagrammasi Homo-birikmaning qarshi lazerining blok diagrammasi sek. 2.4 va 2.5. Lazer generatsiyasi uchun zarur bo‘lgan rezonatorda teskari aloqa bilan ta‘minlash uchun yarim o‘tkazgich kristalining uchlari bir-biriga parallel qilib qo‘yiladi. Yarim o‘tkazgichlarning sindirish ko‘rsatkichi odatda juda katta (gallium arsenid uchun n q 3.6), shuning uchun uchlariga akslantiruvchi qoplamalar qo‘llash shart emas. 2.4-rasm. Yarimo‘tkazgichli lazerli tutashma: 1 - molibdenli yaltiroq substrat, 2 - tashuvchi injektorning elektr kontaktlari, 3 - n-tipdagi yarimo‘tkazgich, 4 - p-n yarimo‘tkazgichli tutashma, 5 - p-tipdagi yarimo‘tkazgich, 6 va 7 - silliqlangan yuzlar. 2.5-rasm. Yarim o‘tkazgichli lazerning xomaki birikmasida tuzilishi; strukturaning ikki yon yuzi o‘tish tekisligiga perpendikulyar yo‘nalgan yoki silliqlangan bo‘ladi. Boshqa ikkitasi asosiy (Fabry—Perot rezonatori) bilan mos kelmaydigan yo‘nalishlarda ijobiy geribildirim shakllanishini istisno qilish uchun qo‘pol qilinadi. Qarshi lazerining spektral va energetik xususiyatlari Yarimo‘tkazgichli lazerda stimullangan nurlanishni hosil qilish momenti spektral chiziqning keskin torayishi va nurlanish divergensiyasi bilan aniqlanadi (Fig. 2.6). Bu torayishning fizik tabiati boshqa turdagi lazerlardagi kabi bir xil: aktiv muhitda faqat rezonatorning o‘z tebranishlariga mos keluvchi rejimlari populyatsiya inversiya holati bajarilganda yuzaga keladi. Yarim o‘tkazgichli lazerning optik rezonatoridagi tebranishning spektral tarkibi aktiv moddaning muhim dispersiyasi, ya‘ni sindirish ko‘rsatkichining chastotaga bog‘liqligi tufayli teng emas. Bo‘ylama usullari orasidagi masofa quyidagi munosabat bilan aniqlanadi bu erda dnG‘d-hosil bo‘lgan nurlanishning chastota diapazonidagi sindirish ko‘rsatkichi gradienti, L-kristallning uzunligi, c-yorug‘lik tezligi, n-sindirish ko‘rsatkichi, v0-nurlanish chastotasi. 1015 y.Hz. ning buyurtmasi bo‘yicha yirikligi . 2.6. Uzoq zonadagi (chapda) divergensiya va radiatsion maydonning mintaqadagi taqsimlanishi faol qatlam (o‘ng). Radiatsiya divergensiyasi uzoq zonada radiatsiya maydonini kuzatishda yarimo‘tkazgich lazerning radiatsiya namunasi bilan belgilanadi. 2.6-rasmda asosiy va yon loblar ko‘rsatilgan. Burchak intensivlik taqsimoti I (uzel) bir tekis qo‘zg‘algan aktiv qatlamning D kenglikdagi tirqishi bilan yaratilgan difraksion naqshga mos keladi. Bu radiatsion rejimning maydon taqsimoti Ex o‘tish tekisligiga normal yo‘nalishda balandlik bilan cheklanganligini bildiradi: λ bu radiatsiya to‘lqin uzunligi qaerda, θ azimuthal burchagi hisoblanadi.Bo‘ylama yo‘nalishda p - n birikmaning D kengligi lub ning burchakli eritmasidan taxmin qilish mumkin |