Марио Бертолотти - История лазера

Разработка полупроводниковых лазеров тормозилась по нескольким причинам. Необходимо было разработать новую технологию для работы с полупроводниками, учитывая, что хорошо разработанная технология для кремния не годится. Проблемой также была необходимость работы с короткими импульсами большого тока при низких температурах. По этой причине КПД лазеров был низок. Значительный шаг вперед в решении этих проблем был сделан в 1969 г. путем введения гетероструктур, В гетероструктурном лазере простой p-n-переход заменяется многослойной структурой полупроводников разного состава (рис, 61). Активная область уменьшается по толщине, и ток, требуемый для лазерной генерации, существенно уменьшается, что соответственно уменьшает выделение тепла. Это приводит к тому, что уже не требуется охлаждение, и лазер может работать при комнатной температуре.

Рис. 61. Природный лазер в звезде MWC349. Лазерное излучение происходит в диске водорода, ближайшего к звезде, а мазерное излучение получается в более отдаленных областях. Излучение испускается в плоскости, показанной на рисунке, и достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей в этой же плоскости

Два фактора сильно способствовали преобразованию полупроводниковых лазеров из лабораторных устройств, работающих при очень низких температурах в практичные оптоэлектронные устройства, способные работать непрерывно при комнатной температуре. Первое исключительное и счастливое сходство решеток, содержащих арсенид алюминия (AlAs) и арсенида галлия (GaAs), что позволяет изготавливать гетероструктуры из слоев разной композиции соединение типа A xGa 1—xAs. Второе многие важные применения, для которых полупроводниковые лазеры оказываются особенно пригодными из-за их особенностей: малые размеры (несколько кубических миллиметров), высокий КПД (обычно не менее 50%), накачка непосредственно электрическим током, долговечность по сравнению с другими типами лазеров.

Тот факт, что лазер непосредственно накачивается током, позволяет модулировать выходное излучение, простой модуляцией тока. Эта особенность идеальна для систем передачи информации.

Ответ, по-видимому, да! Лазерное излучение с длиной волны около 10 мкм (типичная линия излучения двуокиси углерода, на которой работают мощные СO 2лазеры, находящие широкое применение, в частности для механической обработки материалов) было обнаружено в атмосферах Марса и Венеры в 1981 г. исследователями из Лаборатории экспериментальной физики Центра управляемых полетов им. Годдарда (НАСА). Это излучение уже наблюдалось в 1976 г. студентами Таунса, который стал заниматься проблемой астрофизики, но только в 1981 г. было установлено, что причиной его является естественный лазер.

Инверсная населенность перехода молекулы двуокиси углерода, которая составляет значительную часть атмосферы этих планет, получается в результате солнечного света, и поэтому получается только на освещенной полусфере. Это такой же механизм, как и в лазерах на СO 2, построенных на Земле. Они работают на длине волны 10 мкм и используются в качестве мощных лазеров для резки и сварки металлов и других применений. Линии излучения в атмосферах этих планет почти в 100 миллионов раз интенсивнее, чем если бы газ испускал их в условиях термодинамического равновесия при температуре атмосферы. Часть наблюдаемого излучения является излучением, усиленным в инверсно населенной среде. Если бы можно было поместить два зеркала на орбите вокруг этих планет, мы могли бы получить такую же генерацию, которую получаем в земных условиях. Возможности реализации лазера на планетарном масштабе вне нашего понимания, но что будет в будущем, мы не знаем. Эти линии излучения оказались полезными для измерения температур и ветров на Марсе и Венере.

Космические мазеры, как уже говорилось, были обнаружены много лет назад, и нет причин исключать существование и космических лазеров. Однако для их существования требуется более трудный процесс, поскольку необходимо большие энергии фотонов. В начале 1995 г., группа астрономов зарегистрировала усиленное инфракрасное излучение, приходящее от диска водорода, вращающегося вокруг молодой звезды в созвездии Лебедя, находящейся от нас на расстоянии 4000 световых лет. Интенсивность излучения на одной из длин волн, по сравнению с соседними длинами волн, показывает наличие вынужденного излучения (рис. 62). Предварительные наблюдения в 1994 г. одной из звезд, обозначенной MWC349, уже показали интенсивное мазерное излучение от ее диска на длинах волн 850 мкм и 450 мкм, испускаемое водородом. Изучение процессов, которые ответственны за это излучение, привело к предположению, что также возможно излучение на менее коротких длинах волн, испускаемое из области диска вблизи звезды.