Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Глава 9 квантовая электроникаСодержание книги Поиск на нашем сайте
9.1. Физические основы Квантовая мектроника является областью электроники, которая исследуется явления генерации и усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения, явления нелинейного взаимодействия мощного излучения с веществом, а также возможность создания квантовых электронных приборов и устройств — молекулярных генераторов (мазеров), квантовых генераторов (лазеров), усилителей и устройств нелинейного преобразования частот лазерного излучения. В квантовой электронике используются физические явления, в которых основное участие принимают связанные электроны. Эти электроны входят в состав систем из атомов, молекул, отдельных кристаллов, континуальных сред всех агрегатных состояний вещества. В соответствии с законами квантовой механики энергия электрона, связанного в атоме, имеет ряд дискретных значений /Го. Е2, £3,.... Е„,... Эти дискретные значения называют уровнями энергии. Весь набор разрешенных квантовой механикой уровней образует энергетический спектр атома. Основным уровнем £«назовем наименьший уровень. Все остальные уровни называют возбужденными. Переход связанных электронов с одного уровня на другой сопряжен с излучением или поглощением электромагнитной энергии. частота которой определяется соотношением:)т\^ = {Е, — £}), где к — постоянная Планка; —частота излучения (поглощения) при квантовом переходе с уровня Е, на уровень Ег Излучение и поглощение происходит отдельными порциями, квантами света, или фотонами. При поглощении фотона энергия атома увеличивается. 23^ при испускании фотона — уменьшается, при поглощении энергии электрон переходит вверх, на более высокий уровень, при испускании фотона электрон совершает обратный переход вниз с умень- шеньем энергии атома. Такие скачкообразные переходы называют квантовыми переходами. Различаются спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные переходы. При спонтанном квантовом переходе испускание фотона происходит вне зависимости от воздействия внешних факторов на квантовую систему. При этом направление излучения и поляризация фотонов может быть любой. Вынужденный квантовый переход происходит под воздействием внешнего излучения частоты V, удовлетворяющего соотношению М/,у = (Д — Д). При этом в процессе вынужденного излучения фотон имеет направление излучения и поляризацию, соответствующую этим же параметрам фотона стимулирующего излучения. Частота испущенного фотона в точности совпадает с частотой вынужденного излучения (рис. 9.1). Атом находится в возбужденном состоянии некоторое время х и скачкообразно переходит в невозбужденное состояние. Если предположить, что время жизни на возбужденном уровне составляет т„ то при большом числе возбужденных частиц Л} это время убывает по закону N1 = ТУо ехр(—//^о), где Л'о — общее число частиц; / — текущее время; т, — время, за которое ТУ,- убывает в е (2,7) раз. Частицы, потерявшие энергию и испустив фотон, могут вновь возбуждаться и переходить на уровень Д. Чем меньше т„ тем чаще будут испускаться фотоны. Вероятность спонтанного испускания с уровня Е\ А = 1/т,- определяет среднее число фотонов, испускаемых одной частицей в 1 с. При спонтанном переходе с уровня Е\ на уровень Е2, Л21 называют вероятностью перехода. Полная вероятность Д спонтанного испускания с уровня Ei на любой другой уровень равна сумме вероятностей отдельных спонтанных переходов: А= ЪА,кь где А1к — коэффициент Эйнштейна для спонтанного испускания. Типичное время жизни возбужденных атомов составляет примерно 1 • 10~8 с. Вынужденные квантовые переходы генерируют фотоны, которые являются копией фотонов, стимулирующих усиление электромагнитного излучения. Число вынужденных квантовых переходов E-Ej пропорционально плотности излучения pv на частоте v=----------------------------------------------. h Число фотонов Л/у,/, поглощенных 1 см3 за 1с, пропорционально населенности пк нижнего уровня и плотности излучения pv: Nkl ~ Bkinkpv, где Bki — коэффициент Эйнштейна для поглощения в квантовой системе. Этот коэффициент характеризует вероятность поглощения и равен числу фотонов, поглощаемых одной частицей за 1 с при приведенной плотности излучения pv. Вынужденное излучение характеризуется числом фотонов Nik, испущенных 1 см3 за 1 с: Nik=Biknkxh где Bik — коэффициент Эйнштейна для вынужденного испускания, который характеризует вероятность вынужденного испускания. Этот коэффициент определяется числом фотонов, испускаемых в среднем одной частицей под действием излучения плотности pv = 1 за 1 с. Эйнштейн рассмотрел равновесную систему, в которой число фотонов, испускаемых в переходе Е;■-> Ек с частотой v = {Е-,— Ek)/h, равно числу фотонов той же частоты v, поглощаемых при обратном квантовом переходе Ек -» Е\. И тогда Nik + Nik = Nu; Aikn, + Blkn,pv = Вк,пф„ Коэффициенты Эйнштейна связаны следующими соотношениями: S к ^ki Si & ¡к i Л _ Snhv3 gк, п d Aik — 3» ki ~~ 3 ik» ci gi С где gi и gk— степени вырождения уровней is, и Ек соответственно; ,, 8rtv3 с — скорость света, коэффициент —г— характеризует плотность с энергии равновесного излучения. Вероятность излучаемых переходов зависит от свойств уровней и между которыми осуществляются квантовые переходы. В квантовой системе имеет место резонансное поглощение фотонов. Суть этого явления заключается в том, что если атом находится на нижнем уровне £, и электромагнитное излучение содержит п фотонов частоты Е1к, то возможен переход атома на возбужденный уровень Ек. При этом поглощается фотон и число фотонов уменьшается и становится равным п— 1, т.е. вынужденные переходы вверх приводят к поглощению электромагнитной энергии вещества. Различают также диполъные, магнитные, квадруполъные и безыз- лучательные переходы. Они сопровождаются изменением диполь- ного момента Р1к, магнитного момента М1к, квадрупольного момента которые связаны с коэффициентами Эйнштейна. Среди квантовых переходов различают также разрешенные и запрещенные переходы. Если в какой-либо момент вероятность перехода отлична от нуля, то квантовый переход возможен. Если же в момент перехода его вероятность равна нулю, то квантовый переход невозможен и такой переход называют запрещенным. В случае, когда квантовый переход с некоторого возбужденного уровня, называемого метастабильным, на более низкие уровни запрещен правилами отбора, то такой уровень может существовать довольно длительное время (примерно 1 • 10-3 с). Под правилами отбора понимают установленные в квантовой механике разрешенные квантовые переходы между уровнями энергии квантовой системы при наложении на нее внешних возмущений. Если состояние системы характеризуют с помощью квантовых чисел, то правила отбора представляют возможные их изменения при квантовых переходах. 9.2. Спектральные линии В идеальном случае возбужденные атомы из бесконечно тонких уровней энергии должны излучать строго монохроматическую волну. Однако практически излучение образует спектральную линию определенной ширины и формы. Даже для изолированных от внешних воздействий атомов линии излучения уширяются в соответствии с фундаментальным законом квантовой механики. Согласно принципу неопределенности, если & время жизни атома в возбужденном состоянии, то значение энергии его состояния &Е связано соотношением неопределенностей Гейзенберга AEAt * Ь. Неопределенность, или «размытие» уровня, обратно пропорциональна времени жизни частицы т0 в начальном состоянии. Вследствие того, что время жизни свободной частицы на энергетическом уровне всегда конечно, то существует определенная естественная ширина спектральной линии. Спектральное распределение квантов спонтанного излучения определяет ширину уровня АЕ = Й/т0. Контур линии спонтанного излучения имеет лоренцеву форму с шириной линии Дул = Л Е/Н — 1/2ято. Шириной линии называют интервал частот между точками, для которых интенсивность излучения (или поглощения) падает в 2 раза. Лоренцева форма линии имеет вид резонансной кривой с максимумом на частоте Уо и описывается форм-фактором #(у) = = \/2пА\л/[(у - у0)2 + АУл/4] (рис. 9.2). В реальных условиях спектральные линии несколько размыты и представляют собой полосы излучения и поглощения. Причиной этому служат различные физические явления. Уширение линии происходит в том числе из-за Доплер-эффекта, вызывающего смещение частоты движущихся частиц. Доплеровски уширенная линия описывается функцией Гаусса и симметрична относительно частоты у0 (см. рис. 9.2). Форм-фактор доплеровски уширенной линии имеет вид #(у) = 1/л/яУгехр[—(V — Уо)/ут)2], где \Т — ч$щ/с — доплеровский сдвиг частоты при средней тепловой скорости движения излучающей частицы; с — скорость света. С увеличением частоты роль доплеровского уширения линии возрастает. В твердых телах уширение спектральной линии может привести к их расщеплению вследствие влияния электрических и магнитных полей (эффекты Штарка и Зеемана). В естественных условиях при равновесии между средой и веществом нижние энергетические уровни заселены более плотно, чем радиоэлектронике входит в режим генерации, если в системе создается положительная обратная связь. В тот момент, когда впервые догадались поместить возбужденную квантовую систему с инверсной населенностью уровней в резонатор Фабри — Перо, создающий положительную обратную связь в системе, родился лазер. Сначала это был мазер, затем лазер. Первый лазер был создан в 1960 г. В качестве активного вещества использовали кристалл рубина. В основе работы лазеров лежит явление вынужденного излучения под действием внешнего электромагнитного поля, усиление и формирование потока излучения. Процесс возбуждения квантовой системы осуществляется путем накачки, т.е. импульсного или постоянного воздействия на активную среду электромагнитным излучением определенной частоты. Возбуждение активной среды можно осуществлять по трех- или четырехуровневой схеме (рис. 9.3). Примером трехуровневой схемы является кристалл рубина — А12Оз + Сг+++. Содержание атомов хрома составляет около 0,05 %. Красный цвет кристалла рубина обусловлен расположением энергетических уровней атомов хрома в рубине. Возбуждение атомов хрома в рубине происходит за счет оптической накачки. Возбужденные атомы хрома переходят в полосу поглощения Ез, их время жизни там составляет примерно 1 • 10_3с. В атомных масштабах соотношение 1 • 10-8 с и 1 • 10_3 с является вечностью и поэтому на метастабильном уровне накапливается большое число (больше половины всех) возбужденных атомов. Метастабильный уровень становится населенным и в квантовой системе возникает инверсия населенностей уровней по отношению к основному уровню Е\. На практике накачка рубина осуществляется лампой-вспышкой белого лазеров на газовых средах. Положительная обратная связь осуществляется с помощью двух зеркал, образующих интерферометр Фабри — Перо, который и является оптическим открытым резонатором. В резонаторе могут возбуждаться колебания только определенной длины волны и структуры. Частоты этих колебаний называют резонансными, они соответствуют собственным частотам резонатора. Возникающие колебания имеют определенную структуру (моду), которая соответствует собственному типу колебаний резонатора (от лат. modus — мера, способ). Мода может быть интерпретирована как стационарная конфигурация электромагнитного поля, электрическая составляющая которой может быть записана в виде Е(г, 0 - Е0С/(г)ехр(/со/), где со — собственная частота резонатора. Резонатор характеризуется добротностью Q, которая представляет собой отношение запасенной в резонаторе энергии к средней энергии за 0,5я периода колебаний. Добротность можно выразить через эффективное время жизни фотона тэф в моде Q = а>тэф. Электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора, отражаются и интерферируют между собой. Коэффициент отражения зеркал достаточно высок, так что в пространстве резонатора могут существовать электромагнитные колебания строго определенной длины волны. На поверхности идеально отражающих зеркал (примерно 100 %) амплитуда световых колебаний должна быть равна нулю. При этом фаза отраженной волны совпадает с фазой, падающей только в том случае, когда длина резонатора X Ь = п — где п — целое число (рис. 9.4). Такую систему зеркал называют открытым резонатором, кото- с рый резонирует на собственных частотах у=—. В действительно- 2Х сти существуют не резонансные линии, а резонансные полосы ши- £ риной Дур = — =1,5 • 10ю Гц для резонатора длиной в 1 м. В пре- 2 делах спектральной линии активной лазерной среды укладывается от десятка до тысяч собственных колебаний резонатора (рис. 9.5, а). Такой резонатор называют многочастотным. Спектр собственных частот лазера определяется собственными частотами резонатора, лежащими вблизи максимума спектральной линии. Одновременно излучение лазера характеризуется поперечным распределением электромагнитного поля — поперечными модами. Эти колебания называют трансверсалъными электромагнитными колебаниями и обозначают ТЕМтпд, где д — указывает число полуволн на длине резонатора, индексы тип характеризуют число изменений направления поля вдоль осей х и у соответственно. На рис. 9.5, б приведены фотографии трансверсальных мод на зеркалах лазера. Так как индекс ц значительно больше индексов т и п, то индекс q обычно опускают. Мода ТЕМоо является аксиальной. Остальные колебания представляют собой неаксиальные МОЛЫ Для получения сверхкоротких лазерных импульсов используют метод синхронизации мод. В импульсных лазерах синхронизацию мод осуществляют с помощью помещаемого в резонатор нелинейного фильтра, который просветляется под воздействием излучения. В лазерах непрерывного действия синхронизацию мод выполняют путем модуляции энергетических потерь или фазы поля излучения на частоте, близкой к частоте межмодовых биений. В режиме синхронизации мод лазер излучает периодическую последовательность сверхкоротких импульсов с частотой, близкой к межмодовой частоте (100...500 мГц). Длительность импульсов излучения в этом режиме равна обратной ширине спектра генерируемых мод. Длительность импульсов в режиме синхронизации мод может достигать значений 1 • 10_13...1 • Ю~12 с, что позволяет резко повысить пиковую мощность излучения. В последние годы резко вырос интерес к фемтосекундным лазерам. Одним из путей получения фемтосекундных импульсов является использование эффекта самомодуляции фазы. Из радиотехники известно, что изменение фазы волны во времени приводит к изменению ее частоты. Уширение спектра позволяет сократить длительность импульса. Если энергия одиночного импульса в непрерывном цуге составляет 1 • Ю-8 Дж, то при длительности импульса 10 фемтосекунд (фс) пиковая мощность составляет 1 МВт. Лазерные зерк&па обеспечивают возможность многократного прохода плоской волны, если волновой вектор направлен по оси интерферометра. Многократное прохождение в резонаторе световой волны обеспечивает ее усиление за счет многократного «опус- 101 пспии» метастабильного уровня и генерации фотонов строго по оси резонатора. Инвертированная активная среда при каждом проходе будет усиливать волну и повышать плотность фотонов. Обычно одно зеркало делают глухим /?2 * 100 %, а второе— с К2~ 95 %. Накопленная в резонаторе энергия, преодолев определенный порог интенсивности излучения, выходит из зеркала с коэффициентом отражения /?2- Сформированный таким образом пучок лазерного излучения является когерентным излучением с высокой спектральной плотностью излучения. Гармоническое колебание называют монохроматическим, если оно может быть описано выражением Л(/) = Ло зт(2ялу + сро), где АЦ) — текущее значение амплитуды; А0 — максимальное значение амплитуды; 2луо — круговая частота; ф0 — начальная фаза колебаний. Ширина спектра Av излучения определяется степенью монохроматичности излучения ц = Ду/уо, где vo — центральная частота. При ц << 1 излучение называют квазимонохроматическим. Лазеры позволяют получить излучение со значением ц «1 • Ю-10 при достаточно большой мощности. Понятие монохроматичности тесно связано с понятием когерентности. Когерентность света представляет собой взаимную согласованность протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства и (или) времени, характеризующая их способность к интерференции. Различают пространственную и временную когерентность. Пространственная когерентность связывается с корреляцией фазы колебаний в разных точках пространства в один и тот же момент времени. При сложении когерентных колебаний возникает устойчивая интерференционная картина. Корреляцию колебаний в определенной точке пространства можно наблюдать только в определенном интервале времени. Этот интервал времени принято называть временем когерентности, которое обычно принимают за время жизни излученного колебания т. Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называют о длиной когерентности I. При т» 1 • 10 с длина когерентности / = = ст = 300 см. Если учитывать, что ширина спектральной линии связана со временем жизни, то Ду * 1/т. А длина когерентности связана с шириной спектральной линии формулой /«с/Ду. Таким образом, чем ^же частотный спектр излучения, тем больше время когерентности, выше степень временнбй когерентности и выше монохроматичность излучения. Лазер представляет собой уникальный источник оптического излучения и уместно отметить особенности лазерного излучения. Пространственная когерентность характеризует форму волнового фронта излучения. Лазерное излучение имеет высокую направленность, обусловленную свойствами оптического резонатора, и высокую спектральную мощность излучения. Описание законов распространения лазерного излучения в свободном пространстве и оптических системах производят с помощью пространственных параметров. К ним относятся диаметр пучка и его расходимость, диаграмма направленности, распределение плотности мощности (энергии) в поперечном сечении пучка, ось диаграммы направленности, ближняя и дальняя зоны лазерного излучения. Диаметр пучка лазерного излучения — диаметр поперечного сечения канала, внутри которого распространяется мощность лазерного излучения. Диаметр пучка на выходном зеркале плоского резонатора, как правило, определяется диаметром активного элемента. Если активный элемент имеет прямоугольное сечение, то размеры пучка определяются размерами сечения активного элемента. Размер поперечного сечении пучка, естественно, несколько меньше соответствующих размеров активного элемента, так как электромагнитное поле спадает к его краям. Конкретное значение размера поперечного сечения пучка зависит от размеров активного элемента, модового состава излучения и выбранного уровня энергии в пучке. Расходимость лазерного излучения — это плоский или телесный Угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения. Эту расходимость называют угловой. Существует также понятие энергетической расходимости, которое представляет собой телесный угол, внутри которого распространяется заданная Доля энергии. Диаграмма направленности лазерного излучения — это угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения. Ось диаграммы направленности лазерного излучения представляет собой прямую, проходящую через максимум углового распределения энергии или мощности лазерного излучения. При симметричном распределении поля ось диаграммы направленности совпадает с энергетической осью пучка. Дальняя зона лазерного излучения — область пространства вдоль оси лазерного пучка, расположенная на таком расстоянии от излучателя лазера, начиная с которого диаграмма направленности остается постоянной. Диаграмма направленности носит дифракционный характер независимо от того, ограничен лазерный пучок реальной диафрагмой или нет. Известно, что при описании дифрак- :л'А г. о.: ьз у юте я понятиями зон Френеля и Фраунгофера. Дальняя зона. лазерного излучения соответствует зоне Фраунгофера. Рсспреоелеьие мощности мощности ипучения можно получить из измерений либо рассчитать по известным параметрам резонатора. Связь параметров пучка с параметрами резонатора определяется типом ре зон агора- 9.4. Типы лазеров Твердотельные лазеры. Конденсированные среды — это твердые тела и шикосги. атомные частицы, которые связаны между собой. В таких телах не происходит самопроизвольный разрыв связей и конденсированные тела сохраняют свой объем. 3 твердотельном лазере активной средой служат диэлектрические кристаллы или стекла, активированные ионами редкоземельных элементов или ионами группы железа. В нем использовались оптическая какачка и открытый резонатор. Инверсия населенности»-ровней создается путем импульсного облучения мошной ксе- ноновой лампой. Ионы хрома Сг~~* поглощают излучение и переходят из основного уровня Е\ в полосу накачки £3. В результате безизлучательного перехода £3 -> £2 заселяется метастабильный уровень Ег, так что число возбужденных на нем атомов превышает число атомов на уровне Е\ (см. рис. 9.3, а). При стимуляции возникает излучение в красной части спектра путем перехода возбужденных ионов хрома уровня £2 на уровень Ех. Наиболее благоприятные условия возникают хтя генерации излучения с длинной волны к = 0Т6943 мкм. На рис. 9.6 приведена типичная функциональная схема лазеров. Активный элемент, помешенный в оптический резонатор из двух зеркал, освещается осветителем, который питается от блока конденсаторной батареи и охлаждается с помощью охлаждающей системы. Зачастую в резонатор встраивается устройство управления, позволяющее формировать лазерное излучение с заданными пространственно временными характеристиками. Блок охлаждения отводит от активного элемента и осветителя тепловую энергию, выделяемую при излучении и поглощения света накачки. КПД твердотельных лазеров составляет несколько процентов и поэтому отвод тепла крайне необходим. Выходная мощность лазера характеризуется энергией накачки, пороговой энергией и длительностью импульса. Выходная мощность может достигать нескольких десятков джоулей в импульсном и около 100 мВт в непрерывном режимах. Обратную связь в оптическом резонаторе можно включать и выключать с помощью устройства управления. Обычно используют электрооптический затвор, например, в виде ячейки Керра, Пок- кельса или Фарадея. Обратная связь включается на промежуток времени 1 • 1(Г8...1 • 1СГ9 с. Это время и определяет длительность импульса, т.е. накопленная на метастабильном уровне энергия возбужденных ионов хрома излучается в очень короткий промежуток времени (1 • 10~8 с), что позволяет развивать гигантскую мощность. Для фемтосекундных импульсов мощность увеличивается еще на четыре порядка. Сфокусированный поток такого излучения обладает гигантской плотностью мощности, способной разрушить любые материалы. Такие конструкции называют лазерами с модулированной добротностью, а лазерные импульсы — гигантскими (примерно 10 Вт и более). Гигантские импульсы можно увеличивать по мощности, используя каскад лазерных усилителей. Эта мощность превосходит мощность самых больших электростанций мира. Другой тип твердотельных квантовых генераторов — это лазер на стекле, активированном ионами неодима Ш+++. В настоящее время это один из наиболее распространенных типов лазеров благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных активных лазерных элементов. Это позволяет изготавливать активные элементы очень больших (102 см) размеров и снимать значительную энергию (104 Дж). Однако стекла имеют плохую теплопроводность и требуют применения эффективных систем охлаждения. Лазеры на неодимовых стеклах работают по четырехуровневой схеме (см. рис. 9.3, 6) и излучают на основной длине волны 1,06 мкм, а также могут излучать на длине волны 1,32 мкм. Это ближний инфракрасный диапазон. В режиме свободной генерации длитель- ность импульсов излучения составляет 0,1... 10,0 мс. Мощность достигает значений 1013 Вт в режиме модулированной добротности и согласования мод. Помимо неодима получили распространение лазеры, активный элемент которых активирован ионами Ег3+, Ти3+, Но3+ (европий, тулий, гольмий). Среди лазерных кристаллов, легированных неодимом, наибольшее распространение получил кристалл алюмоит- триевого граната УзАЬО^ с атомарной концентрацией Ш+++ до 1 % по отношению к иттрию. Другим распространенным активным элементом твердотельных лазеров является ортоалюминат иттрия УАЮз. Он также легируется ионами неодима. Определенный интерес для создания миниатюрных твердотельных лазеров представляют монокристаллы двойного галий-гадоли- ниевого вольфрама (КГБ), легированные неодимом, а также гел- лий-скандий-гадолиний гранат (ГСГГ), легированный хромом либо неодимом. К настоящему времени эффект стимулированного излучения обнаружен более чем у 250 кристаллов с примесью ионов переходных групп (N<1, Ей, Но, Ег, Ти, УЬ). Полупроводниковые лазеры — это лазеры на основе полупроводниковой активной среды, в которой используют квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используют квантовые переходы между дискретными уровнями энергии. В соответствии с зонной теорий полупроводников при поглощении фотона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны 2^, произойдет переброс электрона из валентной зоны Еу в зону проводимости Ес (рис. 9.7, а). При этом в валентной зоне возникает дырка. Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит процесс спонтанного излучения (рис. 9.7, б). В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (рис. 9.7, в). Для создания условий усиления света необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие путем создания области электронов у дна зоны проводимости и области дырок у потолка валентной зоны. Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход диода, получил название ин- жекционного лазера, или лазерного диода с /?-я-гомоструктурой. Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещенной зоны между энергетическими уровнями. Наиболее распространенными являются лазеры с двойной гетероструктурой. В этих устройствах слой материала с более узкой запрещенной зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (ваАБ) и арсенид алюминия-галлия (АЮаАв). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называют гетероструктурой, а устройство — диод с двойной гетероструктурой (ДГС). Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой в том, что область сосуществования электронов и дырок (активная область) заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии, в области с низким усилением. Дополнительно волна будет отражаться от самих гетеропереходов, т.е. излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления. Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют получить высокую направленность излучения. Состояние инверсии населенности уровней может достигаться электронной и оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле. Наилучший эффект генерации получен на прямозонных полупроводниках, среди которых ряды изоморфных твердых растворов А В5, А2В6, А3В6, А4В6 и т.п. Особый интерес вызывают материалы, составляющие изоперио- дические пары. Это кристаллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. С их помощью методами электронно-лучевой эпитаксии выращивают бездефектные гетеропереходы. Широкое распространение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур. Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате излучательной рекомбинации в гетероструктуре, называ- 1 ют гетеролазером. Наиболее эффективными оказались полупроводники типа А3В5 с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Наилучшими параметрами обладает гетеролазер на основе трехслойной (двойной) гетеростуктуры с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совпадению областей инверсной заселенности и светового поля. В таких лазерах уже при малом токе накачки можно получить устойчивую генерацию. Резонатором таких лазеров служат грани кристалла, но можно использовать и внешние оптические резонаторы. На рис. 9.8 приведена структура гетеролазера с резонатором в виде сколотых граней [110] кристалла, служащих зеркалами резонатора. Твердые лазерные растворы Сах8п1.хА5уР1_у позволяют получать коротковолновое излучение, растворы типа БпР — низкопороговые инжекционные лазеры инфракрасного диапазона. Дальняя ИК-область (X > 5 мкм) осваивается с помощью твердых растворов РЬ8х8е1_х, РЬх81-хТе. Полупроводниковые лазеры могут быть объединены в многоэлементные излучатели — фазированные лазерные монолитные линейки. Мощность излучения в импульсном режиме может достигать значения 103 Вт. Изменяя интенсивность накачки, можно получить модулированное по амплитуде лазерное излучение. Разработаны гетеролазеры с распределенной обратной связью. В таких лазерах одно из зеркал резонатора заменено дифракционной решеткой. С ее помощью можно получить излучение строго на определенных частотах. С развитием технологии микроэлектроники, переходом на суб- микронный диапазон значительный интерес проявился к лазерам на структурах с пониженной размерностью. К таким структурам относят прежде всего гетероструктуры с ограничением по одной из координат. В этом случае образуется область с двумерным электронным газам. Такие структуры называют квантовыми ямами. Структуры с ограничением по двум координатам получили название квантовые нити. Для структур с трехмерным ограничением принят термин квантовые точки. Возможность управлять плотностью состояний обеспечивает существенный ресурс дальнейшего улучшения лазерных характеристик. Дискретизация спектра сводится к модификации распределения плотности состояний по энергии. Для работы лазера необходимо и достаточно, чтобы были инвертированы рабочие уровни — рабочие уровни в зонах, которые фактически обеспечивают пороговое усиление и необходимую скорость вынужденных переходов при сверхпороговой накачке. В полупроводниковых гомоструктурах необходимо также заполнять некоторое число уровней в зонах, которые прямо не участвуют в генерации. Обычная или невынужденная рекомбинация с участием этих уровней входит в выражение для пороговых потерь. Энергия этих уровней может быть меньше или больше энергии рабочих уровней. Более низкие уровни приходится заполнять, поскольку сами они не обеспечивают достаточного усиления — требуется мощная накачка. В объемном полупроводнике плотность состояний растет примерно как корень квадратный из кинетической энергии. Совсем иная картина в низкоразмерных структурах. В квантовой яме плотность состояний возрастает скачком, и если она достаточна для получения эффекта генерации, то нет «неработающих» уровней. Населенность уровней энергии, находящихся выше рабочих уровней, связана с температурным размытием квазиравновесной функции заполнения. Число носителей на этих уровнях соответствует интегралу от произведения плотности состояния на функцию заполнения по указанному интервалу энергии. Функция заполнения определяется положением уровня Ферми. Плотность состояний квантовых нитей и точек убывает с энергией, превышающей квантовый уровень. Благодаря этому можно оптимизировать энергетический спектр и уменьшить вклад нерабочих состояний, лежащих выше рабочего уровня. В таких лазерных средах можно существенно ослабить температурную зависимость усиления и порога генерации. Использование квантовых эффектов в наноструктурах (1... 100 нм) для снижения пороговой плотности тока полупроводникового лазера позволяет оптимизировать профиль плотности состояний, т.е. речь идет о зонной инженерии или о создании структуры с заданной зонной структурой. В лазерных наноструктурах в качестве активной среды обычно используют квантовые точки или квантовые штрихи. Небольшие квантовые нити называют квантовыми штрихами. Квантовые точки имеют дискретный энергетический спектр. При дискретном спектре не возникает тепловое уширение полосы излучения, а коэффициент усиления имеет тенденцию к стабилизации. Излучательное время жизни возбужденного нуль-мерного состояния не зависит от температуры среды, что позволяет улучшить температурную стабильность такого типа лазеров. Заметим, что для лазеров на квантовых структурах имеет место низковольтная электрическая накачка. Рассмотрим некоторые типовые конструкции лазеров на структурах с пониженной размерностью. На рис. 9.9 представлена диодная конструкция лазера на квантовых точках. На подложке «-типа ваМ выращивают гетероструктуру, между слоями AIo.85Gao.15As которой содержится 12 монослоев Ino.5Gao.5As квантовых точек. Верхний металлический слой контактирует с арсенидом галлия. Волновой канал Al0.05Ga0.95As имеет толщину 190 нм и служит проводником излучения к выходным окнам на границах структуры. Длина Ь и ширина канала \¥могут меняться 1...5 мм и 5...60 мкм соответственно. Торцы лазера покрыты высокоотражающим слоями 2п8е/1У^р2, формирующими своеобразный резонатор Фабри — Перо. Лазер работает в ИК-области спектра на длине волны 1,32 мкм. Другой тип перспективной конструкции — лазер с вертикальным резонатором — представлен на рис. 9.10. Квантовое усиление в активной области достигается за счет процессов инжекции и рекомбинации электронов и дырок. Активная область состоит из нескольких квантовых ям или нескольких слоев квантовых точек. Лазерный резонатор типа Фабри — Перо образуется двумя брэгговскими зеркалами, которые формируют в едином технологическом процессе роста эпитаксиальной структуры. Слои брэгговских зеркал располагаются параллельно подложке, а ось резонатора и напра
|
||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-01; просмотров: 240; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.146.255.161 (0.01 с.) |