Сборник технических статей

По определению С. И. Вавилова, люминесценция есть излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для наблюдения люминесценции вещество принципиально необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить. Люминесценция возникает вследствие квантовых переходов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения, т. е. определяется процессами, обратными поглощению света. В это же время понятие люминесценции относится не к отдельным атомам или молекулам, а к веществу в целом.

Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно эта особенность привела к созданию p-n-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использование рассмотренных процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, позволило создать новые классы приборов — светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти приборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьма широки — от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью, — светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры — в когерентное излучение оптического диапазона.

Активным веществом твердотельных и жидкостных лазеров является диэлектрик, находящийся в конденсированной фазе. По сравнению с газами в конденсированных средах можно создать большие плотности (концентрации) активных частиц в единице объема и тем самым достичь большей плотности инверсии и большего удельного энергосъема. В то же время разнообразие процессов, с помощью которых можно изменить энергетическое состояние атомов в таких системах без их разрушения, весьма ограничено. Практически единственным способом активного воздействия остается облучение светом. Поэтому в твердотельных и жидкостных лазерах на диэлектриках применяется только оптическая накачка. В полупроводниках возможно дополнительное воздействие путем пропускания через них электрического тока.

Лазеры (квантовые усилители и генераторы оптического диапазона) — наиболее важные и широко применяемые приборы квантовой электроники. Это первые и пока что единственные источники интенсивного оптического излучения, обладающего высокой степенью когерентности, монохроматичности и направленности. Первый лазер был создан в 1960 г. Т. Мейманом на основе рубина. В конце этого же года был изготовлен первый газовый лазер на смеси газов гелия и неона, в 1962 г.— первый полупроводниковый лазер на арсениде галлия и в 1966 г.— первый жидкостный лазер на органическом красителе. За прошедший сравнительно небольшой период времени появилось много новых типов лазеров, использующих различные активные вещества и перекрывающих по спектру почти весь оптический диапазон. Конструкции лазеров были существенно улучшены и, что самое главное, были найдены оптимальные активные материалы, благодаря чему эффективность приборов (КПД) возросла от сотых долей до десятков процентов (30...50% для полупроводниковых лазеров на гетероструктурах, молекулярных СО₂- и СО-газовых лазеров и некоторых типов химических лазеров).