Определение, назначение, конструкция лазера.

9) Назначение и взаимодействие 3 элементов лазера.

Лазер - это устройство, в котором энергия, например, тепловая, химическая или электрическая превращается в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высокое качество. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительные расстояния. Слово «лазер» - это аббревиатура англоязычного термина Light Amplification by the Stimulated Emission - усиление света путем вынужденного излучения.

Несмотря на многообразие, все лазеры имеют единую, очень простую принципиальную схему. Она содержит всего три основных узла: активный элемент, устройство накачки и оптический резонатор (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 - Схема лазера

 

Сердце лазера - его активный элемент. Это кристаллический или стеклянный стержень, или запаяна стеклянная трубка, наполненная газовой смесью, или кювета со специальной жидкостью, или кристаллик полупроводника.

Рассмотрим подробнее, что такое активный элемент твердотельного лазера. Отдаленно он похож на "кекс с изюмом". Роль «кекса» (матрицы или основы) играет кристалл диэлектрика или стекло, «изюминками» являются атомы или, точнее, ионы, вводятся специально в виде небольшой примеси в кристалл при его изготовлении. Их называют активными центрами.

Всякий лазер имеет активный элемент. В любом активном элементе есть активные центры. Именно в них и зарождается лазерное излучение. Лазерный луч возникает как суммарный эффект одновременного освещение множества активных центров.

В полупроводниковых лазеров, в которых активный элемент - кристаллик полупроводника или контакт с двух полупроводников разного типа, активных центров нет, лазерное излучение рождается здесь в результате соответствующих изменений состояния электронного коллектива.

Для того, чтобы появилось излучения, необходимо возбудить активные центры или накачать их энергией. Для накачки и назначается устройство накачки. В твердотельных лазерах применяется оптическая накачка. Оптическая накачка используется также в лазерах на красителях.

Но активные центры излучают свет во всех направлениях, а в лазере необходимо, чтобы освещение происходило в одном заданном направлении. Эту задачу решает оптический резонатор. Он представляет собой систему специальных зеркал. Активный элемент находится внутри системы зеркал, то есть внутри оптического резонатора. Оптический резонатор - это наиболее важный элемент твердотельного лазера, который выполняет положительная обратная связь (фазовую условие генерации). В простейшем случае резонатор образован двумя плоскими взаимно параллельными зеркалами, находящихся на торцах активного стержня, или в выходных концах газоразрядной трубки. Одно из зеркал полностью отражает, второе - частично пропускает излучение. Второе зеркало называют выходным. Именно из-за него и выходит лазерный луч. Луч направлен перпендикулярно плоскости зеркал, то есть параллельный оси активного элемента. Это обеспечивает когерентность излучения. Доля световой энергии, проходящей через исходное зеркало (коэффициент пропускания зеркала), различна для разных лазеров. Для гелий-неоновых она составляет всего около 1%, а в лазеров на гранате с неодимом может быть 50% и более.

 

10) Источник излучения, использованный в ВОЛС и предъявленные к ним требования.

Типы источников излучения. Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным в таблице 4.1 требованиям и используются в настоящее время, - светодиоды и полупроводниковые лазерные диоды.

Требования к источникам излучения. Назначение источника излучения (ДВ) заключается в преобразовании электрического сигнала в оптический (функция электрооптического преобразования). Специфика волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) выдвигает определенные требования к ДВ. Основные из них приведены в таблице 4.1.

Приведенные в таблице требования являются общими и редко сочетаются в одном приборе. Наиболее полно этим требованиям отвечают полупроводниковые ДВ на основе pn-перехода: светодиоды (СД); суперлюминисцентни диоды (СЛД) и лазерные диоды (ЛД).

 

Таблица 4.1 - Требования к ДВ

 

Параметр	Требование
Длина волны излучения	Соответствие одном из минимумов потерь в оптическом волокне (850; 1300 и 1550 нм)
Выходная мощность	Достаточна для функционирования системы передачи (обычно 0,1..1,0 мВт)
Надёжность	Большой срок работы (105... 106 часов.), Стабильность параметров
КПД (эффективность преобразования электрической мощности в оптическую)	Максимальный (10%), малое тепловыделение
Температурная стабильность	Изменения длины волны и выходной мощности при колебаниях температуры не должны превышать допустимых значений
Ширина спектра излучения	Минимальная, согласно системных требований на хроматической дисперсии
Ширина диаграммы направленности излучения	Минимальная для обеспечения малых потерь при введении излучения в ОВ
Модуляция, быстродействие (широкополосность)	Простота осуществления внутренней (непосредственной) модуляции с большой скоростью (широкой полосой)
Размер и масса	Малые, включая источник питания
Стоимость	Низкая
Економичность	Высокая, простота осуществления массового производства

 

Принцип действия источников излучения. Принцип действия полупроводниковых ДВ основан на явлении електролюминисценции - излучении света материалом, через который протекает электрический ток, вызванный электрическим полем. Излучения вследствие електролюминисценции (в отличие от теплового) характеризуется сравнительно узким спектром шириной 50... 150 нм для СД и 0,1... 5 нм для ЛД. Под спектром понимают распределение мощности излучения по длинам волн.

Рассмотрим подробнее електролюминисценцию, возникающее при инжекции неосновных носителей заряда в область полупроводникового pn- перехода.

 

Рисунок 4.3 – Принцип действия електролюминисценции

 

При прямом смещении (рис. 4.3) электроны зоны проводимости Е_п в простейшем случае рекомбинируют с дырками, которые находятся в валентной зоне Е_в, и в полупроводнике возникает электромагнитное излучение, энергия которого h×n примерно равна ширине запрещенной зоны Е_з полупроводника. Этот процесс называется излучательной рекомбинацией. Длина волны излучательной рекомбинации

 

мкм, (4.1)

где h – постоянная Планка,

с – скорость света в вакуме,

Е_з – ширина запрещенной зоны в электронвольтах.

Значение l для различных полупроводниковых соединений приведены в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2 – Параметры полупроводниковых материалов для ДВ

 

Материал	Ез, еВ	l, нм	Название материала
GaP	2,24		Фосфид галлия
AlAs	2,09		Арсенид алюминия
GaAs	1,42		Арсенид галлия
AlGaAs	1,42…1,61	770…870	-
InP	1,33		Фосфид индия
InGaAsP	0,74…1,13	1100…1670	Арсенид индия

 

Из таблицы 4.2 следует, что для первого окна прозрачности ОВ наиболее подходящим материалом является арсенид галлия (GaAs), а для другого и третего – арсенид индия (InGaAsР).