Твердотельный рубиновый лазер

 

Активной средой является рубин (Aℓ₂О₃ + 0,03÷0,05%Cr₂О₃). В кристаллической решетке алюминия часть атомов Aℓ заменена ионами Сr⁺⁺⁺.

 

Рис. 8. Схема лазера на рубине: 1 − рубиновый стержень диаметра до 2 см и длиной до 50 см. Торцы стержня полированы и покрыты слоем серебра. Одно зеркало непрозрачно, другое пропускает до 10% излучения; 2 − спиральная импульсная лампа заполненная неоном и криптоном (λмакс = 560нм); 3 − отражательный конус; 4 − источник тока для зарядки конденсатора С.

 

Рис. 9. Принцип работы лазера

 

Энергетические уровни 2 и 3 возбужденные, 1 − нормальный, невозбужденный. Под действием излучения импульсной лампы (λ =560нм) ионы хрома переходят с уровня 1 на возбуждаемый уровень 3. Время жизни ионов на уровне 3 мало (τ = 10^-8 с) и они безизлучательно переходят на уровень 2, где время жизни велико (τ = 10^-3 с), На уровне 2 накапливается большое количество возбужденных ионов Сr по сравнению с нормальным уровнем 1, т. е. имеет место инверсная заселенность уровней, необходимое условие для индуцированного излучения. Усиление света будет происходить только в том случае если в рубиновом стержне возникают стоячие волны т. е.:

                                  2L = nλ,                             (20)

где L − длина стержня,

λ − длина волны света.

Угол αрасхождения светового луча (теоретически) равен

                                 α =   (рад),                                           (21)

где λ − длина волны света,

d − диаметр стержня.

 

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры – это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют иной принцип работы.

Началом эпохи полупроводниковых лазеров считают осень 1962 года, когда практически одновременно были опубликованы первые статьи о наблюдении стимулированного излучения в арсениде галлия.

Рассмотрим процесс возникновения усиления в полупроводниках. Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро перемещаются к дну зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы. Основными материалами для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств) являются: GaAs (арсенид галлия), AlGaAs (арсенид галлия - алюминия), GaP (фосфид галлия), InGaP (фосфид галлия - индия), GaN (нитрид галлия), InGaAs (арсенид галлия - индия), GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия), InP (фосфид индия), GaInP (фосфид галлия-индия).

 

		а)
	б)

Рис. 10. Структура полупроводниковых лазеров

 

Перечисленные полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Помимо вышеупомянутых неорганических полупроводников, могут также использоваться органические полупроводниковые соединения для полупроводниковых лазеров. Соответствующая технология еще молодая, но она бурно развивается, так как перспективы дешевого и массового производства таких лазеров весьма привлекательны.

Преимуществом полупроводниковых лазеров является также то, что они могут работать при более высоких частотах следования импульсов (десятки килогерц), чем лазеры на рубине. Недостаток их в том, что по сравнению с другими типами лазеров они излучают колебания в более широкой полосе частот, и поэтому их излучение менее сфокусировано (имеет более широкую диаграмму направленности).

 

Лазерные диоды

Лазерный диод – полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Принцип действия лазерного диода сводится к следующему. Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах. Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно. Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника. В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки. В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов – изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

 

Рис. 11. Вид лазерных диодов, изготовленных в лаборатории эпитаксиальных технологий в НИФТИ ННГУ им. Н. И. Лобачевского

 

Области применения полупроводниковых лазеров:

• Лазерные диоды высокой мощности используются как высокоэффективные источники накачки для твердотельных лазеров (лазеров с диодной накачкой). Позволяют осуществлять электрическую накачку с невысоким электрическим напряжением и высоким КПД. Длина волны излучения диодных лазеров подбирается, исходя из требуемой длины волны накачки.

• Диапазон возможных длин волн генерации лазерных диодов очень велик и охватывает большую часть видимой, ближней инфракрасной области и средней инфракрасной области спектра. Некоторые лазерные диоды также позволяют перестраивать длину волны.

• Небольшие лазерные диоды позволяют осуществлять быстрое переключение и модуляцию оптической мощности, что позволяет их использовать, например, в передатчиках оптоволоконных линий.

По своим характеристикам полупроводниковые лазеры являются наиболее важным типом лазеров. Их применение приобрело чрезвычайно широкое распространение, в том числе, в таких разнообразных областях, как оптическая передача данных, оптическая запись информации, метрология, спектроскопия, обработка материалов, накачка твердотельных лазеров, а также различные направления медицины.

Специфичность применения лазеров обусловлена их мощностью и длиной излучаемой волны. Так испытания новых медицинских лазерных аппаратов различных вариантов исполнения (длины волн – 808, 980 и 1064 нм; мощность излучения – 10 и 20 Вт, режимы излучения – непрерывный, квазинепрерывный и импульсный) показали, что аппарат на 810 нм хорошо зарекомендовал себя при операциях на тканях с развитой сосудистой системой; аппарат на 980 нм обладает более выраженным режущим эффектом мягких тканей; аппарат на 1064 нм имеет наилучшие коагулирующие свойства (рис. 12).

 

Рис. 12. Лазерный аппарат серии «Лазермед»

 

Цель работы: изучить устройство, принцип работы и характеристики лазерного излучения и его применение.

 

Описание установки

 

Приборы и принадлежности: лазер (ОКГ - 13), оптическая скамья, держатель, экран, штангенциркуль.

Рис. 13. Схема установки: 1. − разрядная трубка, ОКГ-13; 2. − блок питания и управления; 3. − экран; 4. − оптическая скамья.

 

Порядок выполнения работы:

 

1.Установить ручку тока анода на блоке питания 10 мА.

2. Включить блок питания.

3. Прогреть разрядную трубку в течении 5-10 мин.

4. Включить разряд кнопкой пуск.

5. Измерить диаметр d лазерного луча штангенциркулем при L = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5. Диаметр d измерять на уровне 05 от максимальной интенсивности луча J_макс

6. Построить график зависимости d от L.

7. По углу наклона графика определить угол расхождения луча α =  (рад).

Сделать вывод о расходимости угла луча лазера.

 

Контрольные вопросы

1. Свойства и характеристика лазерного излучения. Применение лазеров.

2. Спонтанное и вынужденное (индуцированное) излучение.

3. Инверсная заселенность энергетических уровней.

4. Устройство лазера. Разобрать общую схему оптического квантового генератора. Основные элементы – активная среда, резонатор, устройство накачки: объяснить, что они собой представляют, для чего служат.

5. Устройство и принцип действия твердотельного (рубинового) лазера.

6. Устройство и принцип действия газового (гелий-неонового) лазера.

7. Устройство и принцип действия полупроводникового лазера.

8. Решить задачу.

 

 

Литература

1. Алешкин В. Я. Полупроводниковый лазер с выводом излучения через подложку с улучшенными энергетическими характеристиками и сверхузкой диаграммой направленности // В. Я. Алешкин и др. // Квантовая Электроника. – 2010. – т. 40 – с. 855–857.

2. Бутиков Е. И. Оптика. / Е. И. Бутиков. – С.-Пб.: Лань, 2012. – 608 с.

3. Грабовский Р. И. Курс физики: учебник для сельскохозяйственных институтов. / Р. И. Грабовский. – С.-Пб.: Лань, 2009. – 608 с.

4. Детлаф А. А. Курс физики: учебное пособие для втузов. / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высшая школа, 2000. – 718 с.

5. Некоркин С. М. Модовая структура в дальнем поле излучения многоямного лазера с выходом излучения через подложку / С. М. Некоркин и др. // Квантовая Электроника. – 2012. – т. 42. – с. 931–933.

6. Портной Е. Л. Полупроводниковые лазеры – первое десятилетие. / Е. Л. Портной. // Полупроводниковые лазеры: физика и технология: Материалы 3-го симпозиума, Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2012 г. – СПб: ФТИ им. А. Ф. Иоффе, 2012. – с. 15.

7. Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов вузов / И. В. Савельев. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1982. - 3 т.

8. Степанова В. А. Физика. Волновая и квантовая оптика. – МИСИС. – 2012. – 51 с.

9. Трофимова Т. И. Краткий курс физики: учебное пособие для вузов. / Т. И. Трофимова. – М.: Академия, 2006. – 560 с.

 

Интернет-ресурсы

Информационно-образовательные ресурсы НГСХА (официальный сайт НГСХА http://nnsaa.ru/ в разделе «Информационно-образовательные ресурсы»):

- информационная система "Единое окно доступа к образовательным ресурсам" – http://window.edu.ru;

- единая коллекция цифровых образовательных ресурсов – http://school-collection.edu.ru (интерактивные модели, мультимедийные учебные пособия);

- издательство «Лань» – http://www.e.lanbook.com;

- научная электронная библиотека ELIBRARY.RU – http://elibrary.ru/

Другие сайты:

Курсы по общей физике. http://www.ph4s.ru/kurs_ob_ph.html

Файловый архив для студентов. http://www.studfiles.ru/preview/1645619/

Сайт «Интерактивная физика» http://www.askskb.net/index.html

Астрофизический портал http://www.afportal.ru/catalogue/phys/6

Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов:

http://www.afportal.ru/catalogue/phys/6

http://school-collection.edu.ru/