ivanstudent

Путь к Файлу: /Квантовые и оптоэлектронные приборы.1 / 486 / 39-58.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   7
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   300.5 КБ
СКАЧАТЬ

3 Оптические квантовые генераторы (ОКГ)

 

Термин «лазер» означает усиление света с помощью вынужденного излучения. Термин «свет» означает излучение не только в видимой (l»0,4¸0,8мкм), но также в ультрафиолетовой (l»0,01мкм¸0,4мкм) и инфракрасной (l»0,8¸4мкм) областях спектра электромагнитных колебаний.

 

Общие вопросы построения ОКГ.  Приборы оптического диапазона имеют ряд особенностей, влияющих как на конструкцию, так и на выходные характеристики ОКГ.

39-581. В оптическом диапазоне l»1мкм, 39-58, поэтому, согласно закону Больцмана, 39-58 для уровней, отделенных друг от друга оптическими переходами, практически все частицы будут находиться в основном состоянии, т.е. на нижнем энергетическом уровне. Схема трехуровневой системы показана                   на рис.3.1. Населенность всех прочих уровней будет         близка к нулю. Как это влияет на создание энергии? Рассмотрим систему уровней. При тепловом равновесии 39-58. Пусть мы перевели с первого на третий уровень 39-58 частиц. Тогда, если 39-58 не изменилось, между третьим и вторым уровнями создается инверсия населенности за счет того, что нижний уровень не является основным уровнем системы. Получить инверсию на переходе 39-58 значительно сложнее, т.к. нужно перекачать на него более половины всех частиц с первого уровня. Т.о. все схемы возбуждения ОКГ можно разделить на две группы:

- схемы, в которых нижний уровень рабочего перехода является основным уровнем в энергетическом спектре системы;

- схемы, у которых нижний уровень рабочего перехода не является основным уровнем.

Очевидно, что схемы второй группы энергетически более выгодны, т.к. позволяют получить усиление и генерацию при меньших мощностях накачки.

2. В оптическом диапазоне возрастает роль спонтанных переходов, которые необходимо обязательно учитывать.

3. Тепловые переходы, как правило, для рабочих уровней лазера можно не учитывать.

4. Инверсия населенности создается, чаще всего, широким спектром газоразрядных ламп. Спектр их излучения должен быть согласован со спектром поглощения активного вещества.

5. В оптическом диапазоне не могут использоваться колебательные системы, которые использовались для СВЧ диапазона. Используются особые колебательные системы – отрытые резонаторы. 

 

3.1 Твердотельные лазеры

 

Концентрация частиц в активном веществе лазера 1017-1020 см-3. В твердом теле энергетических уровней значительно больше, чем в газовых. Отсюда и абсолютная величина инверсии населенности  больше.

Активная среда твердотельных ОКГ.  Материал матрицы должен удовлетворять следующим требованиям: допускать активировку элементами, на переходах которых, осуществляется генерация,  быть химически стойким и механически прочным,  выдерживать нагревы,  быть технологичным для массового производства,  допускать механическую обработку,  быть прозрачным для излучения накачки и генерации,   быть оптически однородным.

В качестве матрицы используется кристаллическая решетка щелочноземельных солей трех кислот: вольфрамовой (H2WO4), молибденовой  (H2M0O4) и плавиковой   HF,  или применяются иттриевые гранаты  Y3Me5O12, где  Me  - алюминий, гадолиний, железо и др.

Из других кристаллических материалов следует отметить корунд Al2O3  и аморфное вещество- стекло.

В качестве активаторов используются главным образом редкоземельные элементы, так же хром и уран. Эти элементы вводятся в матрицу в виде двух-  и трехзарядных зарядных ионов, на уровнях которых создается инверсия и осуществляется стимулированное излучение.

39-58Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения, соответствующие переходу накачки. Спектр излучения применяемых источников накачки значительно шире спектра поглощения рубина, и активной средой поглощается только часть энергии спектра. Энергия, поглощаемая активным веществом, составляет 7¸13% от доли энергии лампы. Рубиновые стержни имеют длину 2¸500 мм, диаметр 1,2¸100 мм. Накачка осуществляется импульсной газоразрядной лампой с ксеноновым наполнением. Питается лампа от конденсатора емкостью до нескольких тысяч микрофарад, который заряжается от источника напряжением в несколько тысяч вольт.

Условия самовозбуждения. Для возникновения и поддержания в ОКГ стационарных автоколебаний должен поддерживаться баланс мощностей Ротдпотерь. Мощность, отданная на выбранном рабочем переходе, определяется, согласно формуле, в основном разностью населенностей уровней N2-N1, а значит, и интенсивностью накачки:

 

Ротд = hvWr(N2 – N1)× Va ,                                                      (3.1)

 

где  Va – объем активного вещества.

Следовательно, существует минимальная пороговая величина энергии накачки Wн.пор, при которой возникают автоколебания.

39-58Расчеты показывают, что если накачка производится на длине волны lн=0,56 мкм, а концентрация ионов хрома в рубине N=0,03%, то пороговая энергия накачки для единицы объема кристалла составляет Wн.пор³2 Дж/см3. Эта энергия должна быть передана  кристаллу за время, меньшее времени жизни частиц на уровне 2, чтобы его населенность  не успела снизиться из-за релаксации. На практике необходимая для возбуждения рубиновых ОКГ энергия в десятки раз превышает указанную выше, т.к спектр излучения применяемых источников накачки значительно шире спектра поглощения рубина и активной средой поглощается только часть энергии спектра.

Излучение ОКГ на рубине представляет собой пичковый режим. На рис. 3.3 показано формирование импульса генерации  излучения на фоне импульса накачки. Генерация начинается, когда поле внутри системы превысит потери, и собственно это условие определяет величину времени задержки. На рисунке введены следующие обозначения: tнак=100-1000 мс,  tимп=1мксек, tзад  - время запаздывания от десятков до сотен микросекунд, Рвых состоит из нерегулируемых всплесков «пички».  Интервал между пичками - несколько микросекунд.

 

 

 

 

ОКГ на кристаллах и стеклах с Nd3+

 

39-58Работа четырехуровневой схемы.  Из четырехуровневых схем наиболее широко применяются  генераторы на стеклах с неодимом Nd3+  и иттрий-алюминиевые гранаты CaWO4:Nd3+. На  стекле, активированном неодимом, созданы ОКГ с рекордно большой энергией генерации - порядка килоджоулей в импульсе (L=80см, Æ50мм).  КПД таких генераторов составляет доли процента, выходное излучение имеет также пичковый режим. Ширина спектра излучения достигает 20нм. Излучение ОКГ на неодимовом  стекле не поляризовано. Это связано с хаотической ориентацией ионов неодима и оптической неоднородностью стекла. Угловая расходимость составляет единицы  минут  и значительно меньше, чем у рубиновых лазеров. Это обусловлено высокой оптической неоднородностью стекла.

Структура энергетических уровней АИГ: Nd сложна, и генерация может осуществляться по четырехуровневой  схеме на большом числе инфракрасных переходов в диапазоне длин волн 0,94¸2,1мкм. Основной из переходов при комнатной температуре излучает волны l=1.064мкм. Накачка наиболее эффективна на  l=0,81мкм и l=0,75мкм. В кристаллах на АИГ: Nd3 мощность в непрерывном режиме лежит в пределах 10¸100 Вт, а импульсном  - 106¸1010 Вт.

 В непрерывном режиме на стержне L=15см, Æ 1см была получена Рмакс=750Вт при КПД 1,7%. Для связи обычно необходимы средние мощности порядка нескольких ватт. Они легко получаются в генераторах на гранате. Достоинством таких ОКГ является относительно низкий уровень флуктуаций выходной мощности от 0,1 до 1%. Наибольшая энергия в импульсе до 1кДж достигнута в настоящее время в ОКГ на стекле с неодимом. Активный элемент такого ОКГ представляет собой стержень Æ 30мм и длиной до 80см,  они сравнительно дешевы, но использовать их в непрерывных ОКГ нельзя   из-за плохой термостойкости кристалла. 

     

3.2 Газовые оптические квантовые генераторы

 

Газовыми называются генераторы, в которых линии спонтанного излучения очень узки (10-3-10-2А). Ширина линии генерации газового ОКГ минимальна среди всех  видов  ОКГ,  она  достигает 1 Гц.

Газовая среда обладает гораздо большей оптической однородностью, поэтому в газовых ОКГ можно получить наименьший угол расхождения пучка.

Особенности  устройства газовых  ОКГ. Основным элементом газовых генераторов является трубка, наполняемая газом. С торцов под углом Брюстера, как правило, приклеиваются кварцевые окна.  При этом появляются потери на выходе из газовой кюветы, которые при нормальном падении лучей составляют 10-13%. Такие потери снижают добротность резонатора и делают невозможной генерацию  на большинстве переходов в газовых средах. В использовании угла Брюстера заключается идея уменьшения потерь на торцах. Но уменьшение потерь не сводится до нуля, кроме того, имеются потери на поглощение в материале (2% на 1 см для стекла, 0,2% на 1 см для кварца).

 

 Классификация газовых разрядов, используемых в ОКГ. Газовые генераторы работают в непрерывном и импульсном режимах. Для импульсного разряда существенен интервал между импульсами тока. Этот период больше характерного времени рассеяния рабочих состояний в плазме. В противном случае рабочие состояния активных частиц не успевают довозбудиться за период отсутствия тока. Плотность тока в импульсе 103 А/см2.  Стационарный разряд делится на тлеющий и дуговой. Плотность тока для тлеющего разряда 10-5-10-1 А/см2. В технике ОКГ используются две разновидности тлеющего разряда: разряд постоянного тока и высокочастотный разряд.

В  разряде постоянного тока через плазму протекает ток, не меняющийся во времени. Электроды располагаются внутри трубки. К ним приводится постоянное напряжение 1-2 кВ.

Высокочастотный разряд отличается тем, что в этом случае через плазму  течет высокочастотный (10-50 МГц) ток. 

 

Элементарные процессы в плазме. В плазме положительного столба присутствуют следующие частицы: нейтральные невозбужденные атомы и молекулы; возбужденные атомы и молекулы; невозбужденные (положительные и отрицательные ионы); возбужденные (положительные и отрицательные ионы);  электроны.

Все процессы взаимодействия между частицами в плазме разряда   делятся на 2 группы: упругие и неупругие.

В результате упругих взаимодействий частицы плазмы обмениваются энергией и импульсом. При этом суммарный импульс двух взаимодействующих частиц не меняется, так же как и суммарная кинетическая энергия. 

Для легких электронов характерны неупругие процессы.

39-58Некоторые неупругие процессы:

39-581)39-58 + A ® e + A* - прямое электрическое возбуждение;

2) 39-58 + A* ® e + A** - ступенчатое электрическое  возбуждение.

    Эти процессы приводят к образованию возбужденных атомов, 

     следовательно, к свечению плазмы;

3) 39-58 + A = 2е+ A+ ионизация атома (источник заряженных 

39-58частиц) из-за наличия электронов с большой энергией;

   4) e + A+= 39-58 + (A+)* .

 

 

В механизме создания инверсии в газовом ОКГ играет большую роль передача возбуждения в смеси газов:

А*1 + А2 = А1 + А2*.

 

Гелий-неоновый лазер (He-Ne). В качестве вспомогательного газа у He-Ne лазера служат атомы гелия (He), рабочим является неон (Ne). Схема совмещенных энергетических уровней гелий-неонового лазера изображена на рис. 3.5.

39-58 

 


                                                                                         

 

39-58
 

 

 

 

 

 

 

 


            

39-58

 

Инверсия населенностей в He – Ne  ОКГ создается в два этапа:

1. Происходит заселение состояний 21Sи 23S1 гелия в результате неупругих соударений с 39-58.

                               39-58+ Не (1S0) = е + Не (21S0),                                  (3.2)

                               39-58+ Не (1S0) = е + Не (23S1).                                  (3.3)

                    

2. Вследствие неупругих соударений второго рода между возбужденными состояниями атома гелия и атома неона, находящихся в основном состоянии, осуществляется возбуждение Ne по реакциям:

 

                                 Не (21S0) + Ne (1S0) → Не (1S0) + Ne (3S1),              (3.4)

Не (23S1) + Ne (1S0) → Не (1S0) + Ne (2S1)               (3.5)

в состояниях (2S1) и (3S2).

Так как 23S1 и 21S0 метастабильные и концентрация гелия выбирается в несколько раз больше концентрации Ne, то в разряде создается относительно большое число возбужденных атомов Не (21S0 и 23S1). Это способствует, вследствие процессов (3.4) и (3.5),  направленному избирательному заселению уровней 2S2 и 3S2 неона.

В результате указанных процессов создается инверсия населенностей уровней 3Sпо отношению к уровням 3Р и 2Р, а так же 2S2 к уровню 2Р. Из всех возможных переходов этой системы наиболее благоприятными для генерации оказываются переходы 2S2 → 2Р с λ = 1,15 мкм, 3S2 → 3Р с λ = 3,39 мкм, 3S2 → 2Р с λ = 0,63 мкм.

Нижние рабочие состояния 2Р и3Р имеют время жизни на порядок меньше времени жизни 2S2 и 3S2 состояний, что обеспечивает возможность непрерывного режима генерации.

Нижние рабочие уровни 2Р и 3Р очищаются в результате спонтанных переходов атомов в метастабильное состояние 1S, откуда атомы переходят в основные состояния, главным образом, благодаря соударениям со стенками газоразрядной трубки.

Газоразрядная камера  представляет собой кварцевую или стеклянную трубку (L = 2 дм – 2 м и диаметром до 5 – 8 мм), с торцов закрытую плоскопараллельными оптическими стеклами.

Газоразрядная трубка наполняется  смесью гелия и неона с общим давлением примерно 100 Па. Для очистки газовой смеси во время работы вводят геттер (барий, титан).

Усиление активной среды в He-Ne  ОКГ невелико и составляет 4% на метр для 3S2 ® 2P  l = 0,63мкм, 12% на метр для 2S2 ® 2P  l = 1,152 мкм, поэтому 31и 3делают 100% (зеркала с интерфереционным покрытием).

Малый коэффициент усиления активной среды налагает жесткие требования на точность юстировки зеркал резонатора. Так, в случае резонатора с плоскими зеркалами, непараллельность их всего на несколько угловых секунд существенно сказывается на выходной мощности. Резонаторы со сферическими зеркалами меньше зависят от юстировки.

Напряжение  питания  для постоянного тока зависит от разрядного промежутка и имеет величину от нескольких сотен вольт до 2-3 кВ, ток разряда несколько миллиампер. ВЧ разряд возбуждается ВЧ генератором мощностью от десятков до сотен ВТ.

Мощность генерации зависит от парциальных давлений He и Ne, размеров разрядной трубки, от тока разряда.

Выбор оптимального диаметра трубки является важным для получения максимальной Pвых. Если диаметр трубки велик, то мала диффузия частиц с уровня 1S на S0. В результате на уровне 1S скапливаются частицы и затем переходят на 2р и 3р, уменьшая инверсию населенностей для трубок.

C увеличением тока (I) разряда увеличивается концентрация электронов (39-58) в плазме и увеличивается населенность всех возбужденных состояний атомов He  и Ne, особенно 2Sи 3S2, поэтому увеличивается Рвых. По мере дальнейшего увеличения тока разряда рост инверсии из-за интенсивности заселения 2р и 3р уровней начинает замедляться.

При токе разряда > 100 мA концентрация атомов неона в долгоживущем метастабильном состоянии 1S становится настолько высокой, что резко увеличивается заселение 2р и 3р уровней и Рвых падает. Ток разряда равен         20 – 80 мA. Руд – мощность с 1 ед. длины разрядной трубки составляет:

для 3S2 ® 2P4                    l = 0,63 мкм  - 30 мВт/м,

для 2S2 ® 2P4                    l = 1,152 мкм  - 50 мВт/м,

для 3S2 ® 3P4                    l = 3,39 мкм  - 100 мВт/м.

КПД ( h) составляет сотые доли процента из-за малой квантовой эффективности рабочих переходов атомов Ne и несовершенства процесса возбуждения их:

hкван. эф. = 39-58.                                        (3.6)

Соотношение (3.6) показывает, какая доля затраченной энергии на  возбуждение частиц переходит в энергию генерации.

 

Ионный аргоновый лазер. Из ионных лазеров наибольшее распространение получили аргоновые лазеры (непрерывного действия на длине волны λ = 0,48 мкм). Инверсия населенности в аргоновом лазере создается следующим образом.

Сначала атомы Ar, сталкиваясь с электроном, образующемся в плазме газового разряда, ионизируются (то есть переходят в состояние Ar+(3p5)). Затем, при втором соударении, происходит возбуждение Ar (переход одного электрона из 3р в 4р оболочку).

39-58,                                          (3.7)

39-58.                                         (3.8)

39-58На самом деле уровни 3р44P и 3p44S состоят из множества уровней, поэтому ОКГ может генерировать на многих переходах между подуровнями  этих состояний в широком диапазоне длин волн 0,46 – 0,52 мкм (т.е. в сине-зеленой области спектра).

Для ионизации газа данный ОКГ требует протекания через газоразрядную трубку токов очень большой плотности – до нескольких тысяч А/см2. При использовании токов такой плотности необходимо применять специальные меры для сохранения газоразрядной трубки от перегрева.

Аргоновые ОКГ являются самыми мощными лазерами в видимом диапазоне. Мощность их в непрерывном режиме достигает 100 Вт, в импульсном достигает сотен кВт. Недостаток – малый КПД (0,1%) и малые сроки службы (΅~ 50 часов). При больших мощностях срок службы ограничен десятками часов из-за разрушения стенок трубки и загрязнения выходных окон распыленными частицами электродов. Большая мощность генерации приводит также к быстрому разрушению диэлектрических зеркал.

 

Молекулярный лазер на углекислом газе. Низкий КПД атомарных и ионных лазеров, работающих в непрерывном режиме, обусловлен следующим. При определении КПД необходимо учесть, что не все электроны имеют достаточную энергию в газовом разряде для возбуждения верхнего рабочего уровня. В существующих атомарных и ионных ОКГ доля таких электронов относительно мала. Основная же часть энергии в типичных условиях газоразрядной плазмы тратится на возбуждение самых низких уровней. Поэтому КПД этих лазеров, определяемый как 39-58, составляет доли процента.

Для повышения КПД газовых лазеров выгодно в качестве рабочих использовать низко расположенные уровни частиц. Наиболее подходящими являются возбужденные колебательные уровни молекул. Одному колебательному энергетическому состоянию с квантовым числом ν соответствует много вращательных, характеризующих квантовыми числами j, отличающимися на единицу. Подобно электронным состояниям атома, молекула СО2 имеет основное невозбужденное колебательное состояние с минимальной энергией и возбужденные состояния.

39-58

 

 

 

 

 

 

 

 

Молекула СО2 имеет 3 типа колебаний:

1. Симметричный тип колебаний (ν0˚0, где ν – число квантов, запасенных в данном виде колебаний (номер колебательного уровня), а l - поляризация деформационного колебания). Атомы кислорода колеблются вдоль оси молекулы симметрично относительно атома углерода.

2. Деформационные колебания (0ν0). В этом случае атом углерода колеблется в направлении, перпендикулярном продольной оси молекулы. Данный тип колебаний является двукратно вырожденным, поскольку при этом имеется два взаимно перпендикулярных направления колебаний.

3. Асимметричные колебания (00˚ν). При этом атом углерода колеблется вдоль продольной оси молекулы (см. рис. 3.7).

Расстояния между колебательными уровнями одного вида колебаний всегда эквидистантны.

39-58Основное состояние молекулы обозначается 00˚0. Самым низшим возбужденным уровнем молекулы СО2 является уровень 01˚0 (деформационный). Далее идут 02˚0, 0220, 10˚0, 00˚1 и т.д. Обычно частоты переходов между колебательными уровнями много меньше частот между различными электронными состояниями молекул и лежат в миллиметровой и инфракрасной области спектра. В ОКГ на СО2 в качестве лазерных переходов используются колебательно-вращательные переходы 00˚1↔10˚0 и 10˚0↔02˚0 (λ=10,6 и 9,4 мкм соответственно).

Возбуждение лазера на СО2 осуществляется (в основном) за счет столкновений второго рода. В качестве вспомогательного газа используются молекулы азота  – N2, находящиеся на возбужденном колебательном уровне (см.  рис. 3.8).

Практически любое возбужденное состояние молекулы N2 способно передать колебательный квант СО2, переходя на ближайшее нижнее состояние. Таким образом одна молекула азота N2, переведенная в самое верхнее состояние, может при столкновениях возбуждать несколько молекул СО2. Особенностью молекулы углекислого газа является то, что ее верхний рабочий уровень обладает большим временем жизни. Благодаря этому верхний рабочий уровень в отсутствие генерации может служить накопителем возбужденных молекул. При мгновенном включении резонатора с модулированной добротностью молекулы, переходя на нижний уровень, излучают мощный импульс. От лазера, который в непрерывном режиме давал Р=3 Вт, при модуляции добротности была получена мощность более 100 кВт в импульсе  длительностью 100 нс. 

Наиболее интенсивное излучение на длине волны 10,6 мкм подавляет излучение на длине волны 9,4 мкм. Наша атмосфера прозрачна для излучения с длиной волны 10,6 мкм. Это позволяет использовать эти лазеры в оптической локации в  диапазоне 9,2 – 11,4 мкм, с излучаемой мощностью Р = 10 – 20 Вт. Использование специальных секционированных трубок позволяет увеличить излучаемую мощность до  100 Вт.

Лазеры на СО2 используются в нелинейной оптике, локации, технологии, медицине.

Отечественные серийные лазеры имеют следующие марки:                     ОКГ – 15,    Р = 10 Вт;   ЛГ – 22,    Р = 40Вт;  ЛГК – 21,   Р = 10 кВт.

 

3.3 Полупроводниковые лазеры

 

В полупроводниковых лазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним или различными типами проводимости (р-n- переход). В полупроводниках возможны следующие методы получения инверсии  населенностей: инжекция носителелей через р-n-переход (инжекционные лазеры), электронная и оптическая накачка. Наибольшее распространение получил метод инжекции носителей, а инжекционные п/п  лазеры получили наибольшее распространение в силу своей простоты, надежности и высокого КПД.

Инжекционные лазеры.  Распространенным является  возбуждение полупроводника постоянным током, осуществляющим инжекцию электронов (е) и дырок (р) в область  р-n-перехода полупроводникового диода, которые создаются путем образования внутри единого монокристалла нужного распределения донорной (Nd) и акцепторной примесей (Na). Если эти примеси полностью ионизированы, то в левой части кристалла, где велика концентрация акцепторов, доминирует дырочная проводимость с концентрацией основных носителей Р»Na-Nd.  В правой части  кристалла преобладает электронная проводимость с концентрацией основных носителей  n»Nd-Na.

В переходном слое концентрации примесей резко изменяются по толщине слоя.

Если к переходу приложено прямое напряжение, то через переход течет прямой (положительный) ток. При этом дырки, пришедшие в n-область, и электроны, пришедшие в р-область, становятся неосновными носителями, они должны рекомбинировать с соответствующими им основными носителями. Так как время жизни носителей по отношению к рекомбинации  (ts<<tp) конечно и рекомбинация происходит не сразу, поэтому вдоль по току в некотором объеме за пределами перехода концентрации электронов в р-области и дырок в n-области  превышают их равновесные значения nр и рn в этих областях. Дя компенсации объемного заряда из подводящих ток электродов в этот объем поступают в n-область электроны, а в р-область - дырки. В результате концентрация носителей двух типов по обе стороны увеличивается, т.е. вблизи перехода возникает квазинейтральная область повышенной проводимости.

                В приближении малой по сравнению с длиной диффузии электронов и дырок толщины перехода концентрация инжектированных носителей на границах р-n-перехода составляет для невырожденных полупроводников:

             39-58,                           39-58,                     (3.9)

 

где  U - падение напряжения на переходе.

 

При Т=300 К е/кТ»40 В-1. Поэтому небольшое напряжение сильно меняет концентрацию неосновных носителей на границах р-n-перехода. При U»0,25 В изменение составляет е10»104 раз.

При инжекции носителей, когда на р-n-переход подается напряжение U, равновесие нарушается. Сдвиг запрещенных зон в р-n-областях по отношению друг к другу уменьшается на величину eU. Уровень Ферми разбивается на квазиуровни Ферми для дырок (Fp) и электронов (Fn).  Квазиуровни Ферми в окрестности перехода существенно отличаются друг от друга. Вблизи перехода Fp-Fn=еU. В невырожденном, т.е. слабо легированном полупроводнике, даже при сильной инжекции  неосновных носителей трудно раздвинуть квазиуровни Ферми Fp и Fn так, чтобы выполнялось условие:

                                Fp-Fn =Еg.                                                (3.10)

Только в сильно вырожденных кристаллах возможно выполнение этого условия.

            exp {(E-F)/kT}>> 1 – нет вырождения;

            exp{(E-F)/kT} »   1 – слабое вырождение;

             еxp{(E-F)/kT} << 1-   сильное вырождение.

Уровень Ферми должен лежать внутри зоны проводимости или валентной зоны.

Накачка  в инжекционных лазерах осуществляется импульсами тока длительностью от нескольких микросекунд до нескольких десятых долей микросекунд. Напряжение прикладывается в прямом направлении. Частота повторения импульсов - приблизительно сотни кГц.

 

Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров.  Спектральные свойства

Для продольной  моды резонатора  длина пробега световой волны в резонаторе туда и обратно равна целому числу длин волн. Если  N  порядок моды, то для этой моды имеем

39-58

39-58          Для следующей соседней моды порядка  N+1 c длиной волны lN+1 аналогично можно записать   (N+1) lN+1 = 2nL. Интервал между соседними модами определяется выражением  39-58.  Так, при l = 0,9 мкм, n = 3,6 и                   L = 300мкм интервал между модами составляет Dl = 0,4 нм. Обычно ширина спектральной линии  много больше интервала между частотами соседних мод резонатора. В этом случае в пределах ширины спектральной линии среды размещается несколько продольных мод. Имеется ряд причин, по которым энергия фотона когерентного излучения полупроводникового лазера отличается от  DЕ. Более того, энергия непостоянна даже у лазерных диодов, изготовленных из одного материала,  и зависит от легирования, способа изготовления и добротности резонатора. Для характеристики спектральных свойств лазера  важно выяснить, какая происходит эволюция спектра при увеличении тока накачки. Для того чтобы установить спектральный интервал, можно воспользоваться спектрально- пороговой характеристикой. Такая характеристика представляет собой взаимосвязь между энергией фотона (или длиной волны) и пороговой плотностью тока. Поскольку пороговый ток определяется добротностью резонатора, эта характеристика дает в неявном виде  спектральную зависимость максимального усиления.

         При превышении порогового значения плотности тока накачки спектр изучения обогащается новыми типами колебаний, причем обычно генерация становится многомодовой, если и не самом пороге генерации, то при весьма значительном превышении (на несколько процентов). Несмотря на использование полосковой геометрии в ЛД, число генерируемых мод все-таки достаточно велико.  Исключение представляют специальные селективные резонаторы, а также резонаторы очень малых размеров.

Влияние температуры на изменения частоты излучения. Оно связано, во-первых, с зависимостью показателя преломления от температуры, что приводит к изменению резонансных мод интерферометра Фабри-Перо. Последнее определяется соотношением

39-58

           Для  ОКГ на арсениде галлия изменение частоты имеет вид 

39-58.                                (3.11)

          Следовательно, для получения стабильной частоты излучения желательно работать при низкой и постоянной температуре.

Во-вторых, при изменении температуры изменяется ширина запрещенной зоны и область усиления сдвигается по шкале частот, причем этот сдвиг происходит в ту же сторону, но быстрее, чем сдвиг мод резонатора. Это приводит к скачкообразному изменению мод при импульсном режиме работы. Во время импульса температура полупроводника меняется   и изменяется частота излучения. Генерация на данной моде будет происходить до тех пор, пока усиление на данной моде будет превосходить потери. Когда из-за сдвига запрещенной зоны это условие нарушится, медленное изменение частоты должно превратиться в скачкообразное. Излучение будет происходить на другой моде, характеризующейся превышением усиления над потерями при измененной запрещенной зоне. Из условия частотного интервала между модами можно найти    

 

39-58.                     (3.12)

Увеличение температуры из всего вышеописанного можно определить  как

39-58.                                           (3.13)

Пороговая плотность тока. Для возникновения индуцированного излучения необходимо, чтобы потери энергии на поглощение компенсировались усилением. Выполнение этого условия характеризуется минимальным значением плотности тока, необходимого для перевода генератора на полупроводниковом диоде в режим когерентного излучения. Причем пороговая плотность тока сильно зависит от температуры. Так например, при изменении температуры от  4,2 до 125 0К  величина плотности энергии возрастает в 25 раз. При высоких температурах  изменения плотности порогового тока (Jпор) пропорциональны Т3.  При комнатной температуре в гомогенных лазерах пороговый ток достигает плотности  105 А/ см2 . При температуре ® 0 0 К  Jпор  может быть рассчитана по формуле:

 

39-58 ,                             (3.14)

 

где  e – заряд электрона,  E - энергия перехода,  DE - ширина запрещенной зоны, h – постоянная планка, c – скорость света,  a - внутренние потери, hвн  - внутренний квантовый выход излучения,   g - некоторый множитель, зависящий от формы спектра и степени вырождения (т.е.,  в конечном счете,  от формы энергетического спетра и от температуры),   r1  и  r2   - коэффициенты  отражения от зеркл, n – плотность электронов, L – длина резонатора, d – толщина перехода.

При увеличении температуры пороговая плотность тока растет, причем эта зависимость может быть рассчитана:

                                39-58,                                          (3.15)

где  e0 – характеристическая константа распределения плотности.

Для комнатной температуры оптимальное  e0  выходит за пределы доступного интервала. Если включить в рассмотрение еще один параметр – толщину активного слоя  d , который в гетероструктурах является управляемым, то для комнатной температуры может быть найден другой оптимум слабого легирования, соответствующий малой толщине активного слоя и высокому значению концентрации избыточных носителей тока. Расчеты показали возможность снижения  Jпор при 300 0 К до примерно 500 А /см2 при весьма малой толщине активного слоя.

Резимируя анализ влияния энергетического спектра на пороговый ток лазера, можно сказать, что сильное легирование  плотности состояний дает преимущество приборам, работающим при низкой концентрации избыточных носителей тока. Оно не имеет значения в лазерах, работающих при высокой концентрации избыточных носителей тока, таких как большинство гетеролазеров.

Для  описания зависимости  Jпор  от   d  в GaAs – Alx Ga1-x As   ДГС  лазерах можно воспользоваться формулой

 

;

 

я;

 
39-5839-58 

 

Г – коэффициент оптического ограничения.

 

Расходимость лазерного излучения. Высокую направленность излучения и возможность фокусировки излучения в пятно чрезвычайно малых размеров обусловливает пространственнная когерентность пучка. Направленность излучения характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. Часто в качестве параметра ОКГ применяется не телесный, а плоский угол расхождения пучка. Теоретически плоский угол расхождения пучка можно определить как угол дифракции на выходном отверстии. Так как размеры резонатора  полупроводниковых лазеров малы, то дифракционная расходимость даже идеального лазера будет достаточно большой. Углы дифракционной расходимости в вертикальной q в и горизонтальной q г плоскостях равны

39-58 и           39-58  ,                                        (3.16)

где  t  - ширина активного слоя, а   d – его толщина.

Детальное знание картины угловой расходимости и ширины лазерного излучения весьма важно для правильного применения полупроводниковых ОКГ. Распределение в дальней зоне лазера характеризует распределение поля внутри волновода.

Рассмотрим   влияние толщины активного слоя на направленность излучения. Малая толщина диэлектрического волновода, образующегося  около активного слоя, позволяет исключить возбуждение поперечных типов колебаний.

При больших W (приведенная толщина волновода) легко  возбуждаются невыгодные для коллимирования поперечные типы колебаний высокого порядка, диаграмма наравленности которых имеет много лепестков сравнимой интенсивности. Критическое значение толщины волновода  составляет в лазерах на гомопереходах и в ОГС  на  GaAs около 1,5 мкм. В ДГС оно может быть меньше микрона.

 

Для одномодового  инжекционного лазера хорошим приближением является  гауссово распределение в пучке, для которого справедливо выражение

39-58,

где W  - ширина излучающего пятна, Rx  - радиус кривизны волнового фронта на зеркале, k – волновой вектор.

 

Вольт-амперная характеристика. Вольт-амперная характеристика описывает обычный диффузионный ток в гомопереходе. В гетеропереходе диффузионный ток определяется главным образом инжекцией из широкозонного в узкозонный полупроводник. Этот диффузионный ток, инжектированный в активную область, поддерживает излучательную рекомбинацию, необходимую для вынужденного излучения.

В идеальной модели, описывающей вольт-амперную зависимость, делаются следующие предположения: обедненный слой пространственного заряда имеет резкие границы, так что вне обедненного слоя полупроводник считается нейтральным; концентрации носителей могут быть представлены с помощью экспоненциального приближения функции Ферми-Дирака; концентрации  неосновных носителей малы по сравнению с концентрациями основных носителей; в обедненной области нет токов генерации или рекомбинации, так что токи электронов и дырок постоянны в этой области. Уравнение, определяющее величину диффузионного тока, имеет вид:

39-58,                                        (3.17)

 

где  39-58,   39-58

И  в этом случае ток меняется с напряжением как для случая слабого возбуждения.  В этих формулах: Va – напряжение смещения, ni – концентрация электронов, Dn – коэффициэнт диффузии электронов, Ln – длина диффузии электронов, s –площадь поперечного сечения  торца полупроводникового элемента.

 

 Добротность резонатора в полупроводниковом лазере. Одной из самых основных характеристик резонатора является его добротность. Здесь потери энергии в резонаторе делятся на потери за счет связи с нагрузкой  и потери, обусловленные неидеальностью резонатора. Добротность, учитывающая потери на зеркалах и дифракционные потери, определяется по формуле

39-58                                                  (3.18)

где  R –  коэффициент отражения  от зеркал,  L - длина резонатора, D – размер торца полупроводникового элемента.

Зная добротность резонатора, можно определить ширину резонансной кривой:

39-58 ,                                                (3.19)

где  n0 – резонансная частота.

Как уже отмечалось,  ширина спектральной линии среды больше ширины резонансных линий. При наличии в резонаторе активной среды происходит компенсация потерь, что эквивалентно увеличению добротности и уменьшению ширины резонансной кривой     39-58 до величины  dn. В случае генерации одной моды с частотой  n0  ширина линии лазерного излучения может быть определена по формуле

 

39-58 ,                                               (3.20)

 где  Р – излучаемая мощность.

Теоретическое значение ширины излучения оказывается  чрезвычайно малым. Однако в реальных условиях из-за акустических воздействий  и колебаний температуры наблюдается нестабильность размеров резонатора, приводящая к нестабильности собственных частот резонатора и, следовательно, частот линий лазерного излучения, содержащего несколько линий излучения. Таким образом, можно ввести параметр монохроматичности (М):   

39-58.                                 (3.21)

Важным параметром для многих применений является длина когерентности, определяемая следующим выражением:

39-58.                                (3.22)

 

 Мощность излучения полупроводниковых лазеров. Неосновные носители тока, инжектированные через p-n-переход, могут рекомбинировать как излучательным, так и безизлучательным способом. Рекомбинационное излучение может взаимодействовать с валентными электронами и поглощаться ими или взаимодействовать с электронами зоны проводимости и вызывать испускание идентичного фотона. Когда концентрация инжектированных носителей становится достаточно высокой, уровень вынужденного излучения может превысить уровень поглощения, в результате чего возникает оптическое усиление. Для возникновения генерации необходима положительная обратная связь. Эта обратная связь создается обычно за счет пары сколотых граней, перпендикулярных оси волновода. Генерация возникает тогда, когда усиление за один проход излучения между такими, полученными сколом, зеркалами сравнивается с суммой всех потерь на том же пути. Внутренние потери 39-58 обычно обусловлены поглощением на свободных носителях и рассеянием на оптических неоднородностях. Поскольку полезный выход излучения во внешнюю среду может быть сосредоточен на концах резонатора или распределен по его длине, следует рассматривать разные варианты выполнения резонатора. Если выходной поток направлен вдоль оси резонатора, то в простейшем случае резонатора Фабри-Перо применима функция выхода      39-58.

При выводе этой формулы допущено, что коэффициент усиления постоянен по длине резонатора L. При этом мощность, снимаемая с элемента длины, изменяется вдоль оси резонатора. Видно, что эта функция убывает с ростом произведения   aL , так что при  39-58 внутренние потери (a) существенно ограничивают  к.п.д. лазера. Это обстоятельство не позволяет снизить порог генерации за счет  увеличения длины резонатора: при L>L0 порог стремится к постоянному значению, а  f(a,L)  монотонно убывает. Физическая причина этого убывания состоит в том, что с ростом L усиление приближается к уровню внутренних потерь, в то время как доля внешних потерь уменьшается. Рассеяние света на внутренних дефектах полупроводника можно трактовать как некоторое поглощение на некоторой эффективной длине пути L . Этим потерям соответствует обратная добротность 39-58.

Если учитывать дифракционные потери, боковое излучение, непараллельность граней, то полная обратная добротность равна сумме обратных парциальных добротностей

39-58,                                      (3.23)

 где  b - коэффициент, учитывающий непараллельность зеркал.

При слишком малой добротности велика пороговая накачка и связанные с нею потери. Оптимизация параметров лазера для получения максимальной эффективности преобразования мощности накачки в мощность когерентного излучения соответствует  нахождению компромисса между противоречивыми требованиями к величине связи резонатора с внешней средой. Мощность излучения лазера Р можно представить в следующем виде:

39-58  ,                                  (3.24)

где  a - внутренние потери,  I0 –пороговый ток.

 

Светоизлучающие диоды. В светодиодных системах связи наряду с лазерным  диодом широко используются светоизлучающие диоды.

Принцип работы светодиода, образование инверсии населенностей полностью схожи с лазерными диодами.  Лишь особенности конструкции светодиода, обуславливающие отражение света внутри прибора от металлизированных поверхностей его наружных граней, формирование его активной зоны и т.д. могут обеспечить создание в диоде «окон», через которые будет выходить наружу наибольшая часть генерируемого в приборе излучения.

Процесс рекомбинации носителей при проникновении их в p-область происходит по экспоненциальному закону: Dn = Dnoexp(-t / t), где t - время жизни неравновесных носителей.

Это время обусловлено двумя процессами: рекомбинацией носителей, сопровождающейся излучением, и рекомбинацией носителей, обусловленных безызлучательными механизмами (рекомбинация на дефектах структуры, неконтролируемых примесях и др.) t, причем для генерации излучения такой носитель потерян. Следует отметить, что у хороших светодиодов 1/t должно быть мало.

В качестве примера определим частоту, на которой работает светодиод на GaAs. Примем коэффициент диффузии (D) равным 80, площадь отражающей поверхности s = 5×103 см/с, время жизни неосновных носителей  tэф=10-8. Знание времени жизни  позволяет оценить диффузионную длину (Lд), так            как Lд=(Dtэф)s1/2. Диффузионная длина равна 1мкм, Dwtэф=1, тогда                         Dw×10-8=1. Отсюда f = 15МГц. Реально светоизлучающие диоды работают на частотах f = 20 - 25МГц.

Особенностью работы СИД является использование для генерации спонтанного излучения.

Энергия выделяющихся фотонов равна:

39-58.

Подставляя сюда значение h, с, а также зная, что 1 эВ = 1,6×10-19 Дж, можно определить DE в эВ, необходимую для получения излучения l                   (в мкм). Для получения видимого излучения l=0,38 - 0,78 мкм полупроводник должен иметь DE > 1,7 эВ.

Германий и кремний не пригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала. Светодиоды обычно изготавливаются из фосфида галия (GaP) и карбида кремния (SiC), а также некоторых тройных соединений Ga, Al и мышьяка (GaAlAs) или (GaAsP).

С точки зрения применения светодиодов, свойства их характеризуются длиной волны излучения lmax, полушириной спектра Dl, мощностью излучения Pвых (при заданном токе накачки Iн), предельной частотой и диаграммой направленности.

Выходная мощность светодиода пропорциональна току инжекции                (Iн =100-400 мА) и при больших токах испытывает насыщение:

 

                                Pвых~  hnhвн Iн×(1 / 1+jwtэф).

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика