Физические основы полупроводниковых лазеров

Содержание разделов дисциплины

1. Введение.

Методы теории возмущений, золотое правило Ферми, спонтанное и вынужденное излучение, излучение черного тела.

2. Вопросы теории взаимодействия света и вещества.

Описание взаимодействия электромагнитных волн с веществом в рамках классических и полуклассических представлений, квантовый подход, термодинамические соотношения Эйнштейна.

3. Электронные состояния в полупроводниках и их населенность.

Основные понятия о свободных и связанных состояниях электронов и дырок в приложении к возможным лазерным средам, населенность электронных состояний, неравновесные и инвертированные распределения населенностей, безызлучательный переход и роль различных процессов релаксации.

4. Оптические переходы.

Межзонные и внутризонные оптические переходы, матричные элементы, плотность состояний оптических переходов, выражения для коэффициентов поглощения/усиления.

5. Полупроводниковые лазеры на межзонных переходах.

Лазеры при оптическом возбуждении и возбуждении электронным пучком, инжекционные лазеры на p-n переходе, инжекционные лазеры на гетеропереходах. Что включает в себя изложение основных принципов, количественное описание в рамках упрощенной модели, доступные характеристики излучения и условия работы.

6. Полупроводниковые лазеры на внутризонных переходах.

Изложение принципов формирования необходимых инвертированных распределений, механизмов излучения и характеристик квантово-каскадных лазеров на межподзонных переходах и лазеров на горячих дырках германия. Представление об основных наметившихся тенденциях развития.

7. Различные типы лазеров (самостоятельная работа).

Каждый студент для расширения кругозора подготавливает семинар по любому из источников стимулированного излучения, которые классифицируются как твердотельные, газовые, молекулярные и т. д. и излагает их принцип работы и основные характеристики.

Темы для выбора:

• Твердотельные лазеры (рубиновый, неодимовый);
• Газовые лазеры на атомарных и ионных переходах;
• Молекулярные газовые лазеры;
• Эксимерые лазеры;
• Лазеры на красителях;
• Химические лазеры;
• Лазеры на свободных электронах.

Рекомендуемая литература

Основная литература

1. Бертен Ф. Основы квантовой электроники.- М.: Мир, 1971.
2. Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников.- М. Наука, 1978.
3. Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике.- М. Наука,1988.
4. Звелто О. Принципы лазеров.- М. Мир, 1990.
5. Гинсбург В. Л. Рухадзе А. А. Волны в магнитоактивной плазме.- М. Наука, 1975.
6. Файн В. М. Квантовая радиофизика. М., Сов. Радио, 1972.
7. Файн В. М. Ханин Я. И. Квантовая радиофизика. М., Сов. Радио, 1965, т. 1,2.
8. Ярив А. Квантовая электроника. М., Сов. Радио, 1980.

Дополнительная литература

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред.- М. Наука, 1982. 620 с.
2. Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика.- М. Наука, 1989. 723 с.
3. Ханин Я. И. Основы динамики лазеров. М., Наука, Физматлит, 1999.
4. Квантовая оптика и квантовая радиофизика. Пер. под ред. О. В. Богданкевича и О. Н. Крохина.- М., Мир, 1966.
5. Делоне Н. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М., Наука, Гл. ред. Физ.-мат. Литературы, 1989.
6. Long-wavelength infrared semiconductor lasers. Hong K. Choi (ed), published by Wiley & Sons, Inc. New Jersey, 2004.

Вопросы для контроля

1. Метод возмущений в квантовом подходе о поглощении света.
2. Вывод и рамки применимости золотого правила Ферми в теории возмущений.
3. Отличия спонтанного и вынужденного процессов излучения света веществом.
4. Спектр оптического излучения абсолютно черного тела.
5. Термодинамические соотношения Эйнштейна.
6. Определение коэффициента поглощения/усиления света и сечения оптического поглощения.
7. Материальные соотношения и понятия о высокочастотной диэлектрической проницаемости и проводимости.
8. Формулировка кинетического уравнения Больцмана и его приближенных методов решения.
9. Полуклассический подход в теории взаимодействия света и вещества.
10. Электромагнитное поле как совокупность гармонических операторов, понятие фотона,
11. Индуцированное и спонтанное излучение света в квантовой теории поля.
12. Матричные элементы межзонных и внутризонных оптических переходов в полупроводниках.
13. Плотность населенности электронных состояний в полупроводнике.
14. Вывод выражения для коэффициента поглощения/усиления света на межзонных переходах в полупроводнике.
15. Безызлучательные переходы и методы формирования инверсной населенности электронных состояний.
16. Принцип формирования инверсной населенности электронных состояний и стимулированное излучения на межзонных переходах в полупроводниках, понятие квазиуровня Ферми.
17. Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой.
18. Полупроводниковые лазеры с возбуждением электронным пучком.
19. Полупроводниковый лазер с инжекционной накачкой на p-n переходе.
20. Особенности и преимущества полупроводникового инжекционного лазера на двойном гетеропереходе
21. Упрощенная теория полупроводниковых лазеров, пороговый ток, коэффициент усиления, эффективность излучения и т. д.
22. Полупроводниковые лазеры на межзонных переходах валентной зоны германия в скрещенных электрическом и магнитном полях.
23. Стимулированное излучение тяжелых дырок германия при их баллистическом разогреве в электрическом поле (НЕМАГ).
24. Квантово-каскадные лазеры на межподзонных переходах квантовых ям.