ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Кафедра №37 «ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»

Московский инженерно-физический институт
(государственный университет)
ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Кафедра №37
«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»
ЛАЗЕРНАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Лекция-3
Взаимодействие мощного лазерного
излучения с веществом
Механизмы поглощения лазерного
излучения полупроводниками
Характерные энергетические параметры:
Eg – ширина запрещенной зоны,
Ei (i = d, a) – глубина залегания донорных или
акцепторных уровней,
hν – энергия кванта лазерного излучения,
kT – температурная «размазка» функции
распределения электронов по энергии
Полупроводниковый механизм
поглощения
(hν > Eg >> kT)
Типы рекомбинации возбужденных электрондырочных пар:
1. Безизлучательная рекомбинация:
вероятность W ~ ne
2. Излучательная рекомбинация:
вероятность W ~ (ne)2
3. Ударная рекомбинация: вероятность
W ~ (ne)3
Амбиполярная диффузия
Полупроводниковый механизм поглощения характерен для
собственных (чистых) полупроводников.
Лазерное излучение генерирует электрон-дырочные пары, которые
при наличии безызлучательных переходов, рекомбинируя, выделяют
энергию в виде тепла. Механизм эффективен, если время
безызлучательных переходов мало. При этом росту концентрации
свободных носителей (nе) препятствует не только процесс
безызлучательной рекомбинации на ловушках, вероятность которого
пропорциональна nе, но также процессы междузонной излучательной
рекомбинации (~nе2), ударной рекомбинации (~nе3) и амбиполярной
диффузии в глубь объема за счет градиента концентрации
фотоносителей.
В чистом виде этот механизм наблюдается при относительно
невысоких уровнях плотности потока излучения или в начальный
период действия лазерного импульса и в дальнейшем переходит в
индуцированный металлический тип поглощения.
Индуцированный металлический
механизм поглощения
(hν > Eg >> kT)
Индуцированный металлический механизм
поглощения характерен для поглощения в
полупроводниках квантов видимого диапазона
частот и существен, когда вероятности процессов
безызлучательной рекомбинации малы.
Поглощение происходит на неравновесных
свободных носителях, генерируемых этим же
излучением. Механизм становится эффективным,
когда концентрация неравновесных носителей,
существенно превышающая концентрацию
равновесных носителей, достигает величин ~
1020 см3
Примесный механизм поглощения
(kT << Ei < hν < Eg).
Примесный механизм поглощения характерен
для примесных полупроводников, когда энергия
кванта света меньше ширины запрещенной зоны,
но превосходит глубины залегания донорных или
акцепторных уровней. Этот механизм
наблюдается при относительно низких
начальных температурах решетки, когда
концентрация равновесных носителей мала , а
затем, по мере возбуждения примесных уровней
и разогрева, переходит в индуцированный
металлический тип поглощения.
Металлический механизм поглощения
(kT ~ Ei).
Металлический механизм поглощения
характерен для легированных полупроводников,
В зоне проводимости имеется большая
концентрация свободных носителей
nе~ еxр(-Еi/kT), (здесь Ei – глубина залегания
донорных или акцепторных уровней).
Поглощение света происходит на свободных
электронах, как в металле. При этом
многофотонные процессы поглощения на
примесях не существенны и не оказывают
влияния на процесс поглощения.
Диэлектрически механизм поглощения
(kT << hν < Eg).
1. Поглощение на дефектах
2. Поглощения на «хвостах»
ультрафиолетовых полос поглощения
3. Резонансное возбуждение фононного
спектра(λрез ~ 50 мкм, наблюдается для
излучения CO2- лазеров λ = 10,6 мкм)
4. Многофотонные процессы