半导体睐泽

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最近,已经研究成功一种新型的光量子放大器(睐泽),它的发射器是一个半导体二极管,因此称它为“半导体睐泽”。

图1
图1 🔍原图 (605×770)

第一个睐泽是在1959年发明的(如图1所示),它是由活性物质、两个半透明反光镜构成的空腔谐振器、激励光源和电源组成。最先制成的红宝石睐泽用掺铬的合成红宝石作为活性物质。在目前所研究出的睐泽里,采用的活性物质除了固体(如蓝宝石、钙荧石等)外,也可以是液体或气体(如氦、氖和氩等)。

活性物质的原子是一个个单独的发射器。激励以后,每一个原子将以同一频率、同一相位协同地放出自己的能最,因此睐泽光是一种“相干”光。由于睐泽光具有高度的相干性,所以它的发散极小而且单色性极强。聚焦后的睐泽光束横截面直径只有几个微米,它的能量密度极大,因此亮度可以达到太阳光的10\(^{12}\)倍。用睐泽光束,可以熔化金属,并能在金刚石上钻孔。利用睐泽光的极大亮度,可以建立远距离的通信。由于睐泽光具有高度的单色性(光波带很窄),因此这种通信设备的工作极为隐蔽,自然干扰和人为干扰的作用将很小。

上面所述的睐泽却有两个严重的缺点,限止了它的广泛应用。第一个缺点是效率极低,目前已经达到的最高效率仅为10%。第二个缺点是难以调制,因此不能最大数量地发送信息。这些缺点在半导体睐泽里便不复存在。

半导体睐泽用砷化镓(也有用磷化镓、掺铟的硅或锑化铟)的单晶制成。两块晶体的相对面磨光形成“空腔谐振器”(图2)。晶体之间的p-n结薄层就是睐泽的活性物质,在大密度电流通过晶体时,p-n结里的电子和空穴便复合而产生大量光子。由于半导体睐泽能把电能直接转换为光能,因此可以得到很高的效率(理论值达100%)。同时,只要调制通过晶体的电流,就可以在一个宽范围内间接地实现这种光束的调制。为了增加睐泽光的功率,通过晶体的电流密度不应小于6000安/平方厘米,因此必须用液态氮或氦迅速冷却产生极大热量的晶体。

已经制成了用砷化镓制成的半导体睐泽。在冷却到-196℃时,效率达到80%。这种睐泽发射出中心波长为0.85微米的红外线,频带宽度大于100兆赫。晶体通过的电流为500毫安,在10\(^{-}\)3平方厘米的活性平面上发射出的红外线光波功率为1瓦。目前在实验室里用半导体睐泽光束进行了电视信号的发送试验,所收到的图像质量与发送前比较并无逊色。(袁仲江)