Розділ 5. Характеристика основних типів квантових генераторів.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 9Следующая ⇒

На даний час створено надзвичайно велику кількість різноманітних систем лазерів. Вони відрізняються між собою робочим тілом, а саме створено лазери на основі рубіна та алюміній – ітрієвого граната, на напівпровідникових матеріалах, газах та розчинах барвників. Вони відрізняються між собою будовою, довжиною хвилі випромінюваного світла, але сам принцип їх роботи залишається незмінний.

Розглянемо основні системи цих пристроїв.

а) будова та принцип роботи рубінового лазера.

Рубіновий лазер був першим оптичним квантовим генератором світла (3). Його створили в 1960 році. Робочою речовиною є рубін – кристал оксиду алюмінію Al₂O₃ (корунд), у який при вирощуванні введена домішка – оксид хрому Cr₂O₃. Червоний колір кристала рубіна обумовлений випромінюванням іона хрому Cr³⁺, що у кристалічній решітці заміщає іон Al³⁺. Густота червоного кольору рубіна залежить від концентрації іонів Cr³⁺, у темно-червоному рубіні концентрація Cr³⁺ досягає 1%.

Рис. 5.1 Схема енергетичних рівнів у кристалі рубіна.

Кристал рубіна має дві смуги поглинання: у зеленій й у блакитній частині спектра. Крім цих смуг є два вузьких енергетичних рівні E₁ й E'₁, при переході з яких на основний рівень атом випромінює світло з довжинами хвиль та . Ширина цих ліній , імовірність змушених переходів для лінії більше, ніж для , тому що ця ймовірність обернено пропорційна частоті в кубі v^-3.
При опроміненні рубіна білим світлом блакитна й зелена частини спектра поглинаються, а червона відбивається. У рубіновому лазері використається оптичне накачування ксеноновою лампою, що дає спалахи світла великої інтенсивності при проходженні через неї імпульсу струму. Газ ксенон при цьому розігрівається до кількох тисяч градусів. Безперервне накачування неможливе, тому що лампа не витримує тривалого нагрівання. Випромінювання лампи накачування поглинається іонами Cr³⁺ в області смуг поглинання. Потім із цих рівнів іони Cr³⁺ дуже швидко в результаті безвипромінювального переходу переходять на енергетичні рівні E₁ й E'₁. Надлишок енергії передається кристалічній решітці і перетворюється в енергію її коливань (енергію фононів). Рівні E₁ й E'₁ – метастабільні (час життя атома на рівні E₁ дорівнює 4,3 мс). У такий спосіб створюється значна інверсна населеність активного середовища щодо рівня E₀.

Кристал рубіна вирощують у вигляді круглого циліндра довжиною близько 5 сантиметрів та діаметром близько одного міліметра.

Рис. 5.2 Будова кристала рубіна та поширення світлових променів у ньому.

Ксенонова лампа, що має форму циліндра й кристал рубіна містяться в дзеркальній порожнині з еліптичним перетином у фокусі еліпса.

Завдяки цьому забезпечується практично повне фокусування випромінювання накачки. Один з торців кристала рубіна зрізують так, щоб забезпечити повне внутрішнє відбиття в рубіні, а інший торець – під кутом Брюстера. Такий зріз забезпечує вихід із кристала випромінювання з відповідною лінійною поляризацією. Далі по ходу променів розташовують напівпрозоре дзеркало.

б) будова та принцип роботи газових лазерів

У гелій-неоновому He-Ne лазері активним середовищем є газоподібна суміш гелію й неону. Генерація здійснюється при переходах між енергетичними рівнями Ne, а He відіграє роль посередника, через який енергія накачування передається атомам Ne.

Атом неону може генерувати більше 130 різноманітних енергетичних переходів. Однак найбільш інтенсивними є лінії випромінювання 632,8 нм, 1.15 мкм та 3.39 мкм. При пропусканні струму через суміш газів гелію та неону атоми гелію в результаті електронних ударів збуджуються до станів та , які є метастабільними, тому що перехід з них в основний стан для атома заборонений квантово-механічними правилами відбору.

Рис. 5.3. Правила переходу для гелій-неонового лазера.

Коли збуджений атом гелію зіштовхується з незбудженим атомом неону, то енергія переходить від He до Ne. Цей перехід відбувається досить ефективно, тому що енергетичні рівні 3S й 2S атома неону збігаються з відповідними енергетичними рівнями атома гелію. Внаслідок цього на рівнях 3S й 2S у неону утвориться інверсна населеність щодо рівнів 3P й 2P.

He-Ne лазер працює в неперервному режимі. На торці лазерної трубки наклеєні багатошарові дзеркала під кутами Брюстера до осі. Це забезпечує лінійну поляризацію випромінювання. У газовій трубці тиск гелію рівний 332 Па, а неону 66 Па, постійна напруга на електродах у трубці 4кВ, коефіцієнти відбиття дзеркал 0,999 й 0,990.

в) будова та принцип роботи напівпровідникових лазерів.

При взаємодії електрона із зовнішнім впливом у напівпровідниках, електрон, поглинаючи енергію, переходить зі стану з низьким енергетичним рівнем у стан з високим енергетичним рівнем. Розглянемо p-n-перехід, який зображено на рис. 5.4. Якщо до нього прикласти пряма напруга U_R, те в p-області буде відбуватися інжекція електронів, а в n-області - дірок (у результаті дифузії неосновних носіїв зарядів). Ці неосновні носії, зустрічаючись із основними, будуть рекомбінувати, випромінюючи світло з довжиною хвилі, що відповідає ширині забороненої зони .

Рис. 5.4 Будова забороненої

зони напівпровідника

Оскільки дифузійна довжина електронів багато більше, ніж дифузійна довжина дірок, то світлове випромінювання виникає, в основному, в p-області. Прилад, що використовує p-n-перехід, який рівний ширині забороненої зони Eg, називають напівпровідниковим лазером з гомоструктурным переходом. Напівпровідниковий лазер є "граничним приладом". Якщо збільшити струм інжекції (тобто збільшувати U_R - пряму напругу), то при перевищенні деякого граничного значення I_пор виникає різке лінійне збільшення потужності лазера на виході. Поблизу I_порспостерігається якісна зміна процесу: повільний ріст потужності випромінювання переходить стрибком у режим насичення при генерації випромінювання.

При I < I_пор випромінювання лазера являє собою суму фотонів з випадковими фазами – некогерентне випромінювання.

В області I > I_пор при переході в режим генерації відбувається впорядкування фази й виникає когерентне випромінювання.

Напівпровідниковий лазер, також як і лазери інших типів, являє собою резонатор з поміщеним у його середину активним середовищем. Оскільки коефіцієнт заломлення напівпровідникових матеріалів великий, то площини спайності лазерного кристала (кристалографічні площини росту) служать відбивними дзеркалами резонатора.

Слабке світло, що виникає в лазері під дією спонтанних переходів, підсилюється активним середовищем при багаторазовому відбитті від резонаторних дзеркал, розташованих на торцях кристала. В остаточному підсумку утвориться лавина вимушено індукованих фотонів, що й утворить лазерний промінь. Лазерна генерація виникає тоді, коли оптичне підсилення компенсує втрати енергії в середині резонатора, що складаються із втрат в активному середовищі й втрат на відбиття. Це відповідає граничному струму I_пор інжекції. При подальшому збільшенні струму інжекції підсилення рівне граничному підсиленню й супроводжується різким збільшенням потужності оптичного випромінювання лазера.

Крім лазерів на p-n-переході широко використаються лазери на гетеропереходах (подвійних гетероструктурах). Робота напівпровідникового лазера на гомо-p-n-переході вперше спостерігалася Жоресом, Івановичем та Алфьоровим у лабораторії напівпровідників ФТИ ім. А. Ф. Іоффе в 1962 році на кристалах GaAs (рис. 5.5.).

Це був гомолазер GaAs, виготовлений за допомогою дифузії акцепторної домішки. Граничне значення струму було , що через виділення значного тепла при кімнатній температурі унеможливлювало його роботу в безперервному режимі.

Рис. 5.5. принципова схема лазера на гомо-p-n-переході.

Практична реалізація безперервного режиму була вперше досягнута в США в "Bell Laboratories" Н. Хаясі й М. Б. Панішем в 1970р. Ними був виготовлений лазер на подвійній гетеро структурі (рис. 5.6) з різною шириною забороненої зони в p- і n- областях, що дозволило зменшити граничну щільність струму при кімнатній температурі до .

Зниження граничного струму в гетеролазерах досягається за рахунок каналювання інжектованих носіїв у вузькій області, обмеженої потенційними бар’єрами гетеро структури, а також за рахунок каналювання спонтанного випромінювання в цій же області під дією хвилевого ефекту, що виникає із-за розходження в показниках заломлення матеріалів гетероструктури.

Якщо позитивна напруга живлення прикладена до p-області, а негативна до n-області, то в активний шар інжектуються дірки та електрони, де вони рекомбінують з випромінюванням енергії. Світло досягає площин резонатора й відбиваючись від них, не виходить в інші шари структури через різницю показників заломлення. когерентне лазерне випромінювання виникає коли надання енергії перевищує певні межі.

Довжина хвилі лазерного випромінювання визначається матеріалом активного шару. Наприклад, якщо активний шар виготовлений з GaAs, то при кімнатній температурі, якщо з , де x - молярна концентрація Al у структурі, то . Якщо використати , то від .

Оптичні волокна для волоконно-оптических ліній зв'язку (ВОЛС) мають мінімальні втрати на довжинах хвиль . Для передачі інформації з ВОЛС найкраще використати лазери з активним шаром з . За розробку таких лазерів Ж.И. Алфьоров одержав Нобелівську премію в грудні 2000 року.

Напівпровідникові лазери використаються в оптичних накопичувачах, CD-дисководах для запису й зчитування інформації в оптичних пристроях. Крім того, лазери використовуються в пристроях обробки інформації інтегральної оптики, а також в оптичних комп'ютерах, де відбувається паралельна й послідовна обробка цифрової й аналогової інформації.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 85; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!