Схем. Характеристики интегрально-оптических

Стимулированное излучение

Спонтанно излученные фотоны могут, конечно, перепоглощаться за счет каких-либо процессов поглощения, которые были описаны ранее. В противоположность процессу поглощения если фотон сталкивается с электронно-дырочной парой, имеющей подходящую энергию связи, то он может стимулировать ее рекомбинацию. В этом случае появляется новый фотон, который точно воспроизводит первоначальный, стимулировавший процесс рекомбинации, т. е. он имеет точно такую же энергию частоту, направление, фазу и поляризацию. Это стимулированное, или вынужденное, излучение, которое происходит в дополнение к спонтанному излучению. Таким образом, в общем случае интенсивность излучения, возникающего в присутствии внешнего излучения, состоит из двух частей. Одна часть независима от внешнего излучения (спонтанная эмиссия), другая имеет интенсивность, пропорциональную внешнему излучению, е то время как его частота, фаза, направление распространения и поляризация являются такими же, как и у внешнего излучения. Заметим, что внешнее излучение может быть излучением, порождаемым либо спонтанным, либо стимулированным излучением внутри самого образца, но не должно быть внешним нолем.

Исключая специфические условия, стимулированное излучение является менее вероятным, чем спонтанное, и, следовательно, обычный светоизлучатель дает главным образом спонтанное излучение. Вместе с тем необходимы специальные усилия, чтобы достичь значительной величины стимулированного излучения. Во-первых, концентрации дырок и электронов в области испускания света должны быть столь значительными, чтобы большинство состояний вблизи дна зоны проводимости было заполнено электронами, а большинство состояний около вершины валентной зоны было пусто. Это приводит к более высокой вероятности, что фотон вызовет переход электрона из зоны проводимости ш валентную зону и рождение фотона-близнеца, по
сравнению с вероятностью поглощения фотона при переходе электрона из валентной зоны в незаполненные состояния в зоне проводимости. Во-вторых, чтобы стимулированное излучение доминировало над спонтанным, должно существовать интенсивное поле фотонов соответствующей энергии.
При тепловом равновесии (т. е. в отсутствие любого источника накачки энергии) большинство электронов в материале будет находиться на нижнем энергетическом уровне. Концент- рации электронов N₁ и N₂ на двух уровнях связаны следующим выражением в предположении распределения Больцмана:
_{N 2 / N1  e} E₂ E₁ / kT _,
Следовательно, чтобы стимулированное излучение преобладало над поглощением, отношение N2/N1 в выражении должно быть сильно увеличенным за счет введения источника накачки энергии. Условие N₂>>N₁ называется условием инвертированной населенности. Очевидно, что для создания стимулированного излучения, превышающего спонтанное, необходим интенсивный поток фотонов подходящей энергии. Необходимая концентрация фотонов обычно создается путем введения положительной обратной связи от зеркал или других отражателей.

Рисунок 9 - Диаграмма энергетических зон полупроводника с внешней энергией на входе (E_Fn и E_Fp, представляют собой квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно)

Два требования, заключающиеся в наличии инверсной населенности и интенсивного потока фотонов с подходящей энергией, являются общими для всех типов лазеров. Упрощенная двухуровневая модель, которая использовалась для демонстрации этих принципов, гораздо лучше подходит для газовых лазеров, чем для полупроводниковых, поскольку электроны и дырки в полупроводниках распределены по энергетическим зонам, которые значительно шире дискретных энергетических уровней. Тем не менее действуют те же принципы. В полупроводниках, которые подвержены накачке, электроны заполняют состояния от дна зоны проводимости вверх приблизительно до энергетического уровня E_Fn, в то время как дырки заполняют состояния от вершины валентной зоны вниз приближенно до энергетического уровня E_Fp, как показано на рисунке 9. Энергетические уровни E_Fn и E_Fp известны как квазиуровни Ферми для электронов и дырок, так как, строго говоря, уровень Ферми определен только для случая теплового равновесия. Для неравновесного случая при подаче внешней энергии квазиуровни Ферми должны определяться отдельно для электронов и дырок. Из рисунка 9 видно, что состояние инверсии населенностей реализуется для любого фотона с энергией hν_фот, удовлетворяющей условию

E_Fn  E_Fp  h _фот , (11)

Минимальная энергия, при которой существует инверсная населенность, определяется из выражения

E_Fn  E_Fp  E_c  E_v  E_g , (12)

где E_g - ширина запрещенной зоны. Таким образом, в накачиваемом полупроводнике инверсная на- селенность существует, и, следовательно, стимулированное излучение преобладает над поглощением фотонов с энергией, лежащей в диапазоне:

E_g  h _фот  E_Fn  E_Fp , (13)