Лекция №9. Тема: «Продолжение»
| Вид материала | Лекция |
- Лекция №8 Тема: «Продолжение», 81.36kb.
- Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
- А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.
- Лекция n12 Лекция 12, 393.41kb.
- Сироткиной Еленой Борисовной, группа 409-509 (Кафедра Физики ускорителей высоких энергий), 399.91kb.
- Лекция №6 Тема: «Продолжение», 65.97kb.
- 1 11 Тема 2 12 тема 3 13 Тема 4 14 Тема 5 15 Тема 6 17 Тема 7 20 Тема 8 22 Тема, 284.17kb.
- Перевод Г. В. Барышниковой, 3333.91kb.
- Лекция Средневековый корейский язык (продолжение). Фонетика, грамматика, лексика, 72.65kb.
- Лекция 3 30. 09. 96. Тема: Мезенхимальные дистрофии (продолжение), 75.77kb.
Лекция №9.
Тема: «Продолжение».
Полупроводниковый, инжекционный монолазер.
В полупроводниковых лазерах активным элементом является кристалл полупроводника образующий резонатор и возбуждаемый либо инжекцией тока (через ПН переход), либо пучком электронов. Соответственно различают инжекционные лазеры и лазеры с электронным возбуждением.
В полупроводниковых монолазерах индуцированные переходы происходят между занятыми электронными состояниями в зоне проводимости и вакантными зонами в валентной зоне (зоне проводимости) в области ПН перехода.
Первые инжекционные лазеры были созданы из арсенида галлия в виде параллелепипеда с диффузными ПН переходами расположенными перпендикулярно двум противоположным торцам полупроводникового кристалла.
Поскольку показатель преломления полупроводникового кристалла больше чем у воздуха, его сколотые торцовые поверхности действуют как зеркала. При определенном пороговом уровне усиление превышает потери в объеме и на зеркалах для некоторой моды, и лазер начинает генерировать. При включении инжекционного лазера при прямом направлении и малом токе накачки возникает спонтанное излучение. Из множества спонтанных фотонов лишь несколько из них отразятся от зеркала и пройдут в плоскости активного слоя.
При увеличении тока накачки растет число электронов на верхнем энергетическом уровне в зоне проводимости. При этом спонтанный фотон вызывает переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, где происходит рекомбинация и появляются стимулированные фотоны. Энергия стимулированного фотона, направление его движения, фаза, в точности совпадают с параметрами спонтанного фотона.
Если ток накачки достиг некоторого значения (пороговое значение), этот процесс нарастает лавинообразно, в результате мощность излучения резко возрастает.
Ватамперная характеристика инжекционного лазера:
Величина порогового тока зависит от температуры окружающей среды. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны резко падает.
Спектральная характеристика инжекционного лазера.
При малых токах накачки имеет место спонтанное излучение, поэтому спектральная характеристика инжекционного лазера повторяет здесь аналогичную характеристику.
Ширина спектральной линии этой характеристики много меньше, чем ширина спектральной линии излучающего светодиода. По этой причине при организации связи по одномодовым волокнам в качестве источника излучения применяют только инжекционный лазер, так как при этом резко уменьшается хроматическая дисперсия, в оптическом волокне и возрастает дальность связи. Полупроводниковые лазеры работают в широком спектральном диапазоне от 0,33 до 31 Мкм. Лучшие параметры достигаются при охлаждении.
Инжекционные лазеры работают в импульсном и непрерывном режимах, а лазеры с электронным возбуждением – в импульсном. Мощность излучения полупроводникового лазера зависит от величины тока протекающего через ПН переход.
Пороговая плотность тока накачки для лазера на основании арсенида галлия равно 2*10 в 4, при этом КПД 1%.
КПД полупроводниковых лазеров в импульсном режимах доходит 50 – 80%. Однако кристалл охлаждается до 77 кельвинов и даже до 4 кельвинов, что приводит к усложнению конструкции лазера и сокращению его службы до 1 или десятков часов.
В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением за счет использования большей, чем в инжекционных лазерах, части активного вещества можно достичь больших импульсных мощностей с небольших объемов. Такие лазеры работают в основном с охлаждением, хотя есть излучатель, работающий при комнатной температуре. Конструктивно они представляют собой электровакуумный прибор внутри, которого устанавливается активный прибор. А управление электронным пучком, который бомбардирует мишень, производят с помощью электромагнитной или электростатической системы.
В переносных оптических системах находят применение малогабаритные полупроводниковые лазеры. Некоторые инжекционные лазеры имеют длину около 1мм при толщине перехода 3-5 микрометра, выходная мощность в импульсном режиме достигает 10-15 вт и КПД 50%. Они позволяют осуществлять модуляцию излучения в широком диапазоне.
К недостаткам таких лазеров необходимо отнести: большой угол расходимости пучка, импульсный режим работы, широкую спектральную полосу генерируемого излучения.
Полупроводниковый лазер с гетероструктурой.
Первые инжекционные лазеры имели плотность порогового тока до 10 в 5 ампер на квадратный сантиметр при 300 кельвин, и поэтому не могли работать при комнатной температуре в непрерывном режиме. Избежать этого недостатка удается при помощи гетероструктур. В них за активную область ПН перехода следует полупроводниковый слой с большей шириной запрещенной зоны и меньшем показателем преломления для лучшего пространственного ограничения носителя и оптического излучения. Это способствует уменьшению порогового тока лазера с одиночной гетероструктурой до 10 в 4 ампер на квадратный сантиметр при комнатной температуре. Более лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой. Существуют лазеры с гетероструктурой, которые при комнатной температуре имеют плотность порогового тока 1600 ампер на квадр. Сантиметр. Лазер выполнен (см. рисунок) на основе тройного полупроводникового соединения. Активный слой арсенида галлия имеет узкую запрещенную зону и его толщина меньше микрометра, имеет с обоих сторон слой с более широкой запрещенной зоной. Пороговый ток существенно уменьшается за счет полосковой геометрии. Накачке подвергается только активная область под полосками. Если применить лазер длинной 400 мкм с полоской шириной 13 мкм, можно получить пороговый ток 300 мили ампер. Такая конструкция позволяет создать лазеры на одном поперечной моде и частоте.
В указанной конструкции (рис выше) активные слой превращается в волновод на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение.
Гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больше КПД, что позволяет непрерывный режим генерации при комнатной температуре.
Лазеры на основе кристаллических диэлектриков (на твердой основе).
Помимо полупроводниковых известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков. Обычно эти устройства используют в внутрицетровую люминесценцию, а возбуждение происходит оптическим способом. На рисунке приведены разновидности и параметры твердотельных лазеров.
Конструкция твердотельного лазера.
1 – стержень активного вещества.
2 – инфракрасный светодиод.
3 – оптическая среда.
4 – теплоотвод.
5 – фиксирующая оправка.
Торцы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света происходит вдоль направлений параллельных осей цилиндра. Для миниатюрных оптоэлектронных устройств используют лазеры на основе кристаллов иттриево-аллюминиевого граната. Лазер излучает инфракрасный свет с длинной волны 1,06 мкм. Благодаря высокой концентрации центров свечения, лазер имеет высокую мощность излучения. Лазер имеет малые размеры (длина резонатора менее 1 см), КПЖ 1-20%. Основной режим работы твердотельных лазеров – импульсный. Для них характерны – большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения и многие из них нуждаются в охлаждения активного элемента и элемента накачки.
Жидкостные лазеры.
Интерес к жидкостным лазерам объясняется легкостью получения активной среды, возможностью прокачки жидкость и легкостью создание систем охлаждения, а так же возможность плавной перестройки частоты и так далее.
Разновидности жидкостных лазеров показаны на рисунке (см выше).
Широкое применение имеют лазеры на органических красителях. Различные красители допускают различную перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометров при высокой монохроматичности, которая достигает 1 Мгц. Энергия одного импульса может достигать сотен Дж, а мощность непрерывной генерации десятков ват при КПД нескольких десятков процентов в случае накачки. В режиме синхронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью в десятые доли секунды.
Устройство жидкостного лазера.
1 – лазер на азоте.
2 – цилиндрическая линза.
3 – ячейка с красителем.
4 – полупрозрачное зеркало.
5 – расширитель луча.
6 – дифракционная решетка.
7 – селектор длины волны.
Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических растворителях или в воде. Красителями являются сложные органические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей. Эти соединения обладают выраженной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглощения видимой области спектра.
Лазеры на красителе обладают высоким коэффициентом усиления требуя при этом небольшого объема активной среды (1 мм3). Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя приводит к быстрой, непрерывной замене вещества в рабочем объеме. Применяя набор различных красителей, жидкостные лазеры перекрывают диапазон длин волн от 0,34 до 1,17 мкм. КПД достигает 30% при накачке лазерным излучением и 1% при накачке импульсными лампами.
В непрерывном режиме выходная мощность жидкостных лазеров достигает нескольких ватт. В импульсных режимах, мощность может достигнуть мегаватт при длительности импульса в 20 наносекунд и частоте повторения до 200 Гц.