ليزر حقن اشباه الموصلات. دورة ليزر أشباه الموصلات حساب وتصميم ليزر أشباه الموصلات

ليزر حقن أشباه الموصلات ،تمامًا مثل نوع آخر من مشعات الحالة الصلبة - المصابيح ،هي أهم عنصر في أي نظام إلكتروني ضوئي. يعتمد تشغيل كلا الجهازين على الظاهرة التألق الكهربائي.فيما يتعلق ببواعث أشباه الموصلات المذكورة أعلاه ، يتم تحقيق آلية التلألؤ الكهربائي بواسطة إعادة التركيب الإشعاعييتم حقن ناقلات الشحنة غير المتوازنة من خلال الانتقال p-n.

ظهرت مصابيح LED الأولى في مطلع الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين ، وفي عام 1961 بالفعل ن. باسوف ، أون. كروخين ويو م. بوبوفاقترح استخدام الحقن في تقاطعات pn المتدهورة للحصول على تأثير الليزر. في عام 1962 ، الفيزيائيون الأمريكيون آر هولوالمتعاونين تمكنت من تسجيل تضييق الخط الطيفي لمصباح LED لأشباه الموصلات ، والذي تم تفسيره على أنه مظهر من مظاهر تأثير الليزر ("الإشعاع الفائق"). في عام 1970 ، قام الفيزيائيون الروس - تشى. ألفيروفمع المتعاونين جعلوا أول الليزر غير المتجانسة.جعل هذا من الممكن جعل الأجهزة مناسبة للإنتاج التسلسلي الضخم ، والذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2000. في الوقت الحاضر ، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات على نطاق واسع ، بشكل رئيسي في أجهزة كتابة وقراءة المعلومات من أقراص الكمبيوتر والصوت والفيديو. المزايا الرئيسية لليزر أشباه الموصلات هي:

1. الربحيةمضمونة بكفاءة عالية لتحويل طاقة المضخة إلى طاقة إشعاعية متماسكة ؛

2. الجمود الصغير ،بسبب الأوقات المميزة القصيرة لإنشاء وضع التوليد (حوالي 10-10 ثوانٍ) ؛

3. الاكتنازالمرتبطة بخصائص أشباه الموصلات لتوفير مكاسب بصرية هائلة ؛

4. جهاز بسيطمصدر طاقة منخفض الجهد ، متوافق مع الدوائر المتكاملة ("الرقائق الدقيقة") ؛

5. الفرصة ضبط سلس للطول الموجيفي نطاق واسع بسبب اعتماد الخصائص البصرية لأشباه الموصلات على درجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك.

الميزة الأساسيةليزر أشباه الموصلات هو استخدامها فيها التحولات البصريةتتضمن مستويات الطاقة (حالات الطاقة) مناطق الطاقة الإلكترونية الرئيسيةكريستال. هذا هو الفرق بين ليزر أشباه الموصلات ، وعلى سبيل المثال ، ليزر الياقوت ، الذي يستخدم انتقالات بصرية بين مستويات الشوائب لأيون الكروم Cr 3+ في Al 2 O 3. أثبتت مركبات أشباه الموصلات A III B V أنها الأكثر ملاءمة للاستخدام في ليزر أشباه الموصلات (انظر المقدمة). إنه على أساس هذه المركبات و حلول صلبةيتم تصنيع معظم أنواع الليزر شبه الموصلة بواسطة الصناعة. في العديد من مواد أشباه الموصلات من هذه الفئة ، يتم إعادة تركيب ناقلات التيار الزائد مباشرالتحولات الضوئية بين الحالات الممتلئة بالقرب من الجزء السفلي من نطاق التوصيل والحالات الحرة بالقرب من الجزء العلوي من نطاق التكافؤ (الشكل 1). احتمال كبير للتحولات البصرية في فجوة مباشرةتجعل أشباه الموصلات والكثافة العالية للحالات في النطاقات من الممكن الحصول عليها مكاسب بصرية عاليةفي أشباه الموصلات.

رسم بياني 1. انبعاث الفوتون أثناء إعادة التركيب الإشعاعي في أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة مع السكان العكسيين.

دعونا نفكر في المبادئ الأساسية لتشغيل ليزر أشباه الموصلات. إذا كانت بلورة أشباه الموصلات في حالة التوازن الديناميكي الحراريمع البيئة ، فهو قادر فقط على ذلك تمتصسقوط الإشعاع عليها. شدة الضوء الذي قطع مسافة في بلورة X، من خلال العلاقة المعروفة بوجر لامبرت

هنا ص- معامل انعكاس الضوء ؛

α - معامل امتصاص الضوء.

للضوء تكثيفبالمرور عبر البلورة ، وعدم إضعافه ، يشترط أن يكون المعامل α كانت أقل من الصفر ، والتي بيئة التوازن الديناميكي الحراري أمر مستحيل.يتطلب تشغيل أي ليزر (غاز ، سائل ، الحالة الصلبة) أن تكون بيئة عمل الليزر في الحالة السكان العكسي -مثل هذه الحالة التي يكون فيها عدد الإلكترونات عند مستويات الطاقة العالية أكبر من المستويات المنخفضة (تسمى هذه الحالة أيضًا "الحالة ذات درجة الحرارة السالبة"). دعونا نحصل على علاقة تصف الحالة بالسكان العكسيين في أشباه الموصلات.

يترك ε 1و ε 2 – مقترن بصريابين مستويات الطاقة ، الأول منها في التكافؤ ، والثاني - في نطاق التوصيل لأشباه الموصلات (الشكل 2). المصطلح "مقترن بصريًا" يعني أن انتقالات الإلكترون بينهما مسموح بها بموجب قواعد الاختيار. امتصاص كمية من الضوء بالطاقة hv 12يتحرك الإلكترون من المستوى ε 1إلى المستوى ε 2. ستكون سرعة هذا الانتقال متناسبة مع احتمال ملء المستوى الأول F 1 ، احتمالات أن المستوى الثاني فارغ: (1- F 2) ، وكثافة تدفق الفوتون ف (ح 12)

يمكن أن يحدث الانتقال العكسي - من المستوى العلوي إلى المستوى السفلي بطريقتين - بسبب تلقائيو قسريإعادة التركيب. في الحالة الثانية ، تفاعل كم خفيف مع إلكترون يقع عند المستوى ε 2 "يجبر" الإلكترون على إعادة الاتحاد مع انبعاثكمية الضوء تطابقالذي تسبب في عملية إعادة التركيب القسري. الذي - التي. يوجد في النظام تضخيم للضوء ، وهو جوهر عمل الليزر. ستتم كتابة معدلات إعادة التركيب التلقائي والقسري على النحو التالي:

(3)

في حالة توازن ديناميكي حراري

. (5)

باستخدام الشرط 5 ، يمكن للمرء أن يظهر أن المعاملات ال 12, AT 21و أ 21("معاملات أينشتاين") مترابطة ، وهي:

, (6)

أين ن-معامل الانكسار لأشباه الموصلات. معهي سرعة الضوء.

ومع ذلك ، في ما يلي ، لن نأخذ في الاعتبار إعادة التركيب التلقائي ، منذ ذلك الحين لا يعتمد معدل إعادة التركيب التلقائي على كثافة تدفق الفوتون في وسط الليزر العامل ، وسيكون معدل إعادة التركيب المحفز بقيم كبيرة Р (hν 12) يتجاوز بشكل كبير معدل إعادة التركيب التلقائي. من أجل تضخيم الضوء ، يجب أن يتجاوز معدل الانتقالات "من أعلى إلى أسفل" القسري معدل التحولات "من أسفل إلى أعلى":

بعد تدوين احتمالات تعداد مستويات الطاقة بواسطة الإلكترونات ε 1و ε 2مثل

, (8)

نحصل على حالة السكان العكسية في أشباه الموصلات

لأن أدنى مسافة بين المستويات ε 1و ε 2فقط يساوي فجوة النطاق لأشباه الموصلات ε ز.تُعرف هذه النسبة بـ نسبة برنارد ديرافور.

تتضمن الصيغة 9 قيم ما يسمى ب. مستويات شبه فيرمي- مستويات فيرمي منفصلة لفرقة التوصيل و جوفرقة التكافؤ F الخامس. مثل هذا الوضع ممكن فقط لعدم التوازن ، أو بالأحرى من أجل شبه التوازنالأنظمة. لتشكيل مستويات فيرمي في كلا النطاقين المسموح بهما (المستويات التي تفصل بين الحالات المملوءة بالإلكترون والحالة الفارغة (انظر المقدمة)) ، يلزم أن وقت استرخاء النبضكانت الإلكترونات والثقوب عدة مرات من حيث الحجم وقت حياة أقلناقلات الشحن الزائد:

نتيجة ل عدم اتزانبشكل عام ، يمكن اعتبار غاز ثقب الإلكترون كمزيج التوازن الإلكترونيالغاز في نطاق التوصيل و ثقب التوازنالغاز في نطاق التكافؤ (الشكل 2).

الصورة 2. مخطط الطاقة لأشباه الموصلات ذات المستوى العكسي للسكان. الدول المملوءة بالإلكترونات مظللة.

يسمى الإجراء الخاص بإنشاء مجموعة عكسية في وسط عمل الليزر (في حالتنا ، في بلورة أشباه الموصلات) ضخ.يمكن ضخ ليزر أشباه الموصلات من الخارج عن طريق الضوء ، أو شعاع من الإلكترونات السريعة ، أو مجال تردد راديوي قوي ، أو تأثير التأين في أشباه الموصلات نفسها. لكن أبسطها وأكثرها اقتصادا ، ويرجع ذلك إلى حقيقة ذلك الأكثر شيوعاطريقة ضخ ليزر أشباه الموصلات هي حقنةحاملات الشحنة في مفترق pn المتدهور(راجع دليل "فيزياء أجهزة أشباه الموصلات" ؛ الصمام الثنائي النفقي). مبدأ هذا الضخ واضح من الشكل 3 الذي يظهر مخطط الطاقةمثل هذا الانتقال في حالة توازن ديناميكي حراري وفي نزوح أمامي كبير. يمكن ملاحظة أنه في المنطقة d ، المتاخمة مباشرة لتقاطع p-n ، يتم تحقيق مجموعة عكسية - مسافة الطاقة بين مستويات شبه Fermi أكبر من فجوة النطاق.

تين. 3. تقاطع متدهور pn في توازن ديناميكي حراري (يسار) ومع انحياز أمامي كبير (يمين).

ومع ذلك ، فإن خلق السكان المعكوس في بيئة العمل هو ضروري،لكن أيضا ليس شرطًا كافيًالتوليد إشعاع الليزر. في أي ليزر ، وفي ليزر أشباه الموصلات على وجه الخصوص ، سيتم فقدان جزء من طاقة المضخة المزودة للجهاز بلا فائدة. وفقط عندما تتجاوز طاقة المضخة قيمة معينة - عتبة التوليد ،يبدأ الليزر في العمل كمضخم ضوئي كمي. عند تجاوز حد التوليد:

· أ) يزيد بشكل حادشدة الإشعاع المنبعث من الجهاز (الشكل 4 أ) ؛

ب) يضيقطيفي خطالإشعاع (الشكل 4 ب) ؛

ج) يصبح الإشعاع متماسكة ومركزة.

الشكل 4. زيادة الشدة (يسارًا) وتضييق الخط الطيفي للإشعاع (يمينًا) لشعاع ليزر أشباه الموصلات عندما يتجاوز التيار قيمة العتبة.

لتحقيق شروط العتبة للتوليد ، يتم وضع وسيط العمل بالليزر عادةً مرنان بصري.هذا يزيد من طول المسار البصريشعاع الضوء في بيئة العمل ، يسهل تحقيق عتبة التوليد ، ويساهم في تحسين تركيز الحزمة ، وما إلى ذلك. من بين أنواع التجاويف الضوئية المتنوعة في ليزر أشباه الموصلات ، أبسطها مرنان فابري بيروت- مرآتان متوازيتان عموديتان على تقاطع p-n. علاوة على ذلك ، تُستخدم الحواف المصقولة من بلورة أشباه الموصلات نفسها كمرايا.

ضع في اعتبارك مرور الموجة الكهرومغناطيسية عبر هذا الرنان. دعونا نأخذ معامل النفاذية والانعكاس للمرآة اليسرى للرنان على أنهما t1و r1، الحق (الذي من خلاله يخرج الإشعاع) - خلفه T2و r2؛ طول الرنان - إل. دع موجة كهرومغناطيسية تسقط على الجانب الأيسر من البلورة من الخارج ، المعادلة التي نكتبها بالشكل:

. (11)

بعد المرور عبر المرآة اليسرى والبلورة والمرآة اليمنى ، سيمر جزء من الإشعاع عبر الوجه الأيمن من البلورة ، وسينعكس جزء منه ثم ينتقل مرة أخرى إلى الوجه الأيسر (الشكل 5).

الشكل 5. موجة كهرومغناطيسية في مرنان فابري-بيروت.

المسار الإضافي للحزمة في الرنان ، يتضح من الشكل اتساع الحزم الصادرة والمنعكسة. دعونا نلخص سعة كل الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من خلال الجانب الأيمن من البلورة:

= (12).

دعونا نطلب ألا يكون مجموع اتساع كل الموجات الخارجة من الوجه الأيمن مساويًا للصفر حتى بالنسبة لسعة الموجة الصغيرة المتلاشية على الوجه الأيسر من البلورة. من الواضح أن هذا يمكن أن يحدث فقط عندما يقترب مقام الكسر في (12) من الصفر. من هنا نحصل على:

, (13)

ومراعاة حقيقة أن شدة الضوء ، أي ؛ ، أين ص 1 , ص 2 - معاملات انعكاس المرايا - الوجوه الكريستالية "حسب الشدة" ، وعلاوة على ذلك ، أخيرًا ، نكتب النسبة لعتبة التوليد على النحو التالي:

. (14)

يستنتج من (11) أن العامل 2r المتضمن في الأس مرتبط بمعامل الانكسار المعقد للبلورة:

على الجانب الأيمن من (15) ، يحدد المصطلح الأول مرحلة الموجة الضوئية ، والثاني يحدد السعة. في وسط توازن ديناميكي حراري عادي ، يتم تخفيف الضوء (ممتص) ؛ في وسط العمل النشط لليزر ، يجب كتابة نفس النسبة بالشكل ، أين ز - كسب الضوء، والرمز أناملحوظ كل الخسائرطاقة المضخة ، ليس بالضرورة ذات طبيعة بصرية. ثم حالة عتبة السعةأعيد كتابتها على النحو التالي:

أو . (16)

وهكذا ، قمنا بتعريف ضروري(9) و كافٍ(16) شرط لتوليد ليزر أشباه الموصلات. بمجرد القيمة يكسبسوف يتجاوز خسائرمن خلال القيمة التي يحددها المصطلح الأول في (16) ، سيبدأ تضخيم الضوء في وسط العمل مع السكان العكسيين للمستويات. ستعتمد قيمة الكسب ذاتها على قوة المضخة أو على القيمة ، وهو نفس الشيء بالنسبة لليزر الحقن التشغيل الحالي.في منطقة العمل العادية لليزر أشباه الموصلات ويعتمد خطيًا على حجم تيار التشغيل

. (17)

من (16) و (17) من أجل عتبة الحاليةنحن نحصل:

, (18)

حيث من خلال أنا 0 من قبل ما يسمى. "عتبة الانعكاس" - قيمة تيار التشغيل الذي يتحقق عنده السكان العكسيون في أشباه الموصلات. لأن عادة ، يمكن إهمال المصطلح الأول في (18).

عامل التناسب β بالنسبة لليزر الذي يستخدم تقاطع p-n تقليدي والذي يتم تصنيعه ، على سبيل المثال ، من GaAs ، يمكن حسابه بواسطة الصيغة

, (19)

أين هو Δ هـ -موضع ونصف عرض الخط الطيفي لإشعاع الليزر.

يعطي الحساب وفقًا للصيغة 18 عند درجة حرارة الغرفة T = 300 K لمثل هذا الليزر قيمًا عالية جدًا لكثافة تيار العتبة 5. 10 4 أ / سم 2 ، أي يمكن تشغيل هذه الليزرات إما بتبريد جيد أو بنبضات قصيرة. لذلك ، كما هو مذكور أعلاه ، فقط تم إنشاؤه في عام 1970 من قبل مجموعة Zh.I. Alferov الليزر غير المتجانسةمسموح تقليل بمقدار 2 أوامر من حيث الحجمتيارات عتبة ليزر أشباه الموصلات ، والتي أدت في النهاية إلى التطبيق الشامل لهذه الأجهزة في الإلكترونيات.

لفهم كيف تم تحقيق ذلك ، دعونا نلقي نظرة فاحصة. هيكل الخسارةفي ليزر أشباه الموصلات. إلى غير محدد مشترك مع أي ليزر ،ومن حيث المبدأ خسائر فادحةيجب أن تعزى الخسائر إلى التحولات العفويةوالخسائر الحرارة.

التحولات العفويةمن المستوى الأعلى إلى الأسفل سيكون موجودًا دائمًا ، وبما أن الكميات الخفيفة المنبعثة في هذه الحالة سيكون لها توزيع عشوائي في الطور واتجاه الانتشار (لن يكون هناك متماسك) ، ثم يجب أن يُعزى استهلاك طاقة المضخة لتوليد أزواج ثقوب الإلكترون المعاد توحيدها تلقائيًا إلى الخسائر.

مع أي طريقة ضخ ، سيتم إلقاء الإلكترونات في نطاق التوصيل لأشباه الموصلات ، بطاقة أكبر من طاقة مستوى شبه فيرمي و ج. هذه الإلكترونات ، التي تفقد الطاقة في الاصطدامات مع عيوب الشبكة ، تنحدر بسرعة إلى مستوى شبه فيرمي - وهي عملية تسمى الحرارة.الطاقة التي تفقدها الإلكترونات أثناء تناثرها على عيوب الشبكة هي فقدان الحرارة.

ل قابل للإزالة جزئيايمكن أن تعزى الخسائر إلى إعادة التركيب غير الإشعاعي. في أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة ، عادةً ما تكون مستويات الشوائب العميقة مسؤولة عن إعادة التركيب غير الإشعاعي (انظر "التأثير الكهروضوئي في أشباه الموصلات المتجانسة"). إن التنظيف الشامل لبلورة أشباه الموصلات من الشوائب التي تشكل مثل هذه المستويات يقلل من احتمالية إعادة التركيب غير الإشعاعي.

وأخيراً الخسائر امتصاص غير رنينيو على تيارات التسربيمكن تقليله بشكل كبير باستخدام لتصنيع الليزر الهياكل غير المتجانسة.

على عكس تقاطعات pn التقليدية ، حيث توجد أشباه موصلات متطابقة على يمين ويسار نقطة الاتصال ، تختلف فقط في تكوين الشوائب ونوع الموصلية ، في الهياكل غير المتجانسة على جانبي التلامس توجد أشباه موصلات ذات تركيبة كيميائية مختلفة. هذه أشباه الموصلات لها فجوات نطاقية مختلفة ، لذلك عند نقطة التلامس سيكون هناك "قفزة" في الطاقة الكامنة للإلكترون (نوع "الخطاف" أو نوع "الجدار" (الشكل 6)).

الشكل 6. ليزر حقن يعتمد على بنية غير متجانسة من جانبين في حالة توازن ديناميكي حراري (يسار) وفي وضع التشغيل (يمين).

اعتمادًا على نوع موصلية أشباه الموصلات ، يمكن أن تكون الهياكل غير المتجانسة isotype(p-p ؛ n-N heterostructures) و متباين(pN ؛ n-P الهياكل غير المتجانسة). عادةً ما تشير الأحرف الكبيرة في الهياكل غير المتجانسة إلى أشباه موصلات ذات فجوة نطاق أكبر. بعيدًا عن أي أشباه موصلات ، فهي قادرة على تكوين هياكل غير متجانسة عالية الجودة مناسبة لإنشاء الأجهزة الإلكترونية على أساسها. لكي تحتوي الواجهة على أقل عدد ممكن من العيوب ، يجب أن تحتوي مكونات البنية غير المتجانسة نفس التركيب البلوريوجدا قيم قريبةثابت شعرية. من بين أشباه الموصلات للمجموعة A III B V ، هناك زوجان فقط من المركبات يفيان بهذا المطلب: GaAs-AlAs و GaSb-AlSb و حلول صلبة(انظر المقدمة) ، أي GaAs-Ga x Al 1- x As ؛ GaSb-Ga x Al 1- x Sb. مع تعقيد تكوين أشباه الموصلات ، من الممكن تحديد أزواج أخرى مناسبة لإنشاء هياكل غير متجانسة ، على سبيل المثال ، InP-In x Ga 1- x As y P 1- y ؛ InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. يتم تصنيع ليزر الحقن أيضًا من هياكل غير متجانسة تعتمد على مركبات أشباه الموصلات A IV B VI ، مثل PbTe-Pb x Sn 1- x Te ؛ PbSe-Pb x Sn 1- x Se - تنبعث أشعة الليزر هذه في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة من الطيف.

الخسارة تيارات التسربفي غير المتجانسين ، يمكن التخلص منه تمامًا تقريبًا بسبب الاختلاف في فجوات النطاق لأشباه الموصلات التي تشكل البنية غير المتجانسة. في الواقع (الشكل 3) ، عرض المنطقة d بالقرب من تقاطع p-n المعتاد ، حيث يتم استيفاء حالة السكان العكسية ، هو 1 ميكرومتر فقط ، في حين أن حاملات الشحنة المحقونة عبر الوصلة تتحد في منطقة أكبر بكثير L n + L p 10 ميكرون. إعادة تركيب الناقل في هذه المنطقة لا يساهم في تماسك الإشعاع. في ثنائيمنطقة N-p-P ذات البنية غير المتجانسة (الشكل 6) مع السكان العكسيين يتزامن مع سماكة طبقة أشباه الموصلات ضيقة الفجوةفي وسط مغاير الليزر. الكل تقريبايتم حقن الإلكترونات والثقوب في هذه المنطقة من أشباه الموصلات واسعة الفجوة وإعادة الاتحاد هناك.لا تسمح الحواجز المحتملة في السطح البيني بين أشباه الموصلات واسعة الفجوة وضيقة الفجوة "بالانتشار" لحاملات الشحن ، مما يزيد بشكل كبير من كفاءة مثل هذا الهيكل مقارنةً بالتقاطع p-n التقليدي (الشكل 3).

في طبقة من أشباه الموصلات ذات الفجوة الضيقة ، لن تتركز الإلكترونات والثقوب غير المتوازنة فحسب ، بل ستتركز أيضًا معظم الإشعاع.سبب هذه الظاهرة هو أن أشباه الموصلات التي تتكون منها البنية غير المتجانسة تختلف في معامل الانكسار. كقاعدة عامة ، يكون معامل الانكسار أعلى بالنسبة لأشباه الموصلات ذات الفجوة الضيقة. لذلك ، كل الأشعة لها زاوية سقوط على حدود اثنين من أشباه الموصلات

, (20)

سيخضع انعكاس داخلي كامل.وبالتالي ، سيتم "حبس" الإشعاع في الطبقة النشطة (الشكل 7) ، مما يقلل بشكل كبير من الخسائر في امتصاص غير رنيني(عادة ما يسمى هذا "الامتصاص من قبل ناقلات الشحن المجاني").

الشكل 7. القيد البصري في انتشار الضوء في بنية غير متجانسة. بزاوية حدوث أكبر من θ ، يحدث الانعكاس الداخلي الكلي من السطح البيني بين أشباه الموصلات التي تشكل البنية غير المتجانسة.

كل ما سبق يجعل من الممكن الحصول عليها في غير المتجانسين تضخيم بصري عملاقمع الأبعاد المجهرية للمنطقة النشطة: سمك الطبقة النشطة ، وطول الرنان . Heterolasers تعمل في درجة حرارة الغرفة في الوضع المستمرو مميزة كثافة تيار التشغيللا تتجاوز 500 أ / سم 2. طيف الإشعاعمعظم أنواع الليزر المتوفرة تجاريًا والتي تكون فيها بيئة العمل مركب الزرنيخ،يمثل خطًا ضيقًا بحد أقصى في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة من الطيف ، على الرغم من تطوير ليزر أشباه الموصلات الذي ينبعث منه إشعاع مرئي وأشعة ليزر تنبعث في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة مع .

إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه

سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.

وثائق مماثلة

انتشار نبضة طاقة كهرومغناطيسية على طول موجه ضوئي. التشتت البيني في ألياف متعددة الأنماط. تحديد تشتت intramode. تشتت المواد والدليل الموجي في ألياف بصرية أحادية الوضع. الطول الموجي للتشتت الصفري.

الاختبار ، تمت إضافة 05/18/2011


آلية ضخ الحقن. مقدار جهد التحيز. الخصائص الأساسية لليزر أشباه الموصلات ومجموعتها. طيف الانبعاث النموذجي لليزر أشباه الموصلات. تيارات العتبة. طاقة إشعاع الليزر في الوضع النبضي.

عرض تقديمي ، تمت إضافة 02/19/2014


حساب طول قسم التجديد في نظام الألياف الضوئية (FOCL) لنقل المعلومات وفقًا للمعلمات المحددة لإمكانات الطاقة للنظام والتشتت في الألياف الضوئية. تقييم سرعة FOCL. تعريف النطاق الترددي.

الاختبار ، تمت إضافة 2014/05/29


مكبرات الصوت الضوئية للإربيوم. معلمات مضخمات الألياف. طاقة خرج الإشارة ومضخة كفاءة الطاقة. كسب عرض النطاق والتوحيد. مضخة ليزر "LATUS-K" أشباه الموصلات. تصميم مضخة الليزر.

أطروحة تمت إضافتها في 12/24/2015


مراحل التطوير وآفاق تنفيذ مشروع لإنشاء مجمع ليزر للميزانية يعتمد على ليزر أشباه الموصلات المصمم لمعالجة المواد العضوية. دراسة البارامترات والخصائص الرئيسية لجهاز الكشف الضوئي.

ورقة المصطلح ، تمت إضافتها في 07/15/2015


حساب هيكل ليزر أشباه الموصلات بناءً على مركبات المجموعتين الثالثة والخامسة لخطوط اتصال الألياف الضوئية من الجيل الثالث. اختيار الهيكل البلوري. حساب المعلمات ، مرنان ROS ، عائد الكم الداخلي ، الحد البصري.

ورقة مصطلح ، تمت إضافتها في 11/05/2015


وضع كبل الألياف الضوئية باستخدام معدات التسلسل الهرمي الرقمي المتزامن SDH (SDH) ، بدلاً من نظام K-60p المضغوط ، في قسم Dzhetygara - Komsomolets. حساب مستويات الإشعاع القصوى المسموح بها في ليزر أشباه الموصلات.

تمت إضافة أطروحة 11/06/2014


حدوث موجة مستوية على السطح البيني بين وسيطين ، ونسبة مقاومة الموجة ومكونات المجال. انتشار الموجات المستقطبة في الألياف المعدنية ، حساب عمق اختراقها. تحديد المجال داخل الألياف العازلة.

ورقة مصطلح ، تمت الإضافة 06/07/2011

مقدمة

كان أحد أهم إنجازات الفيزياء في النصف الثاني من القرن العشرين هو اكتشاف الظواهر الفيزيائية التي كانت بمثابة الأساس لإنشاء جهاز مذهل ، أو مولد الكم البصري ، أو الليزر.

الليزر هو مصدر ضوء أحادي اللون متماسك مع شعاع ضوئي موجه للغاية.

مولدات الكم هي فئة خاصة من الأجهزة الإلكترونية التي تدمج أحدث الإنجازات في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا.

الليزر الغازي عبارة عن ليزر يكون الوسط النشط فيه عبارة عن غاز ، أو خليط من عدة غازات ، أو خليط من الغازات مع بخار معدني.

الليزر الغازي هو أكثر أنواع الليزر استخدامًا اليوم. من بين الأنواع المختلفة لليزر الغازي ، يمكن للمرء دائمًا العثور على ليزر يلبي تقريبًا أي متطلبات لليزر ، باستثناء الطاقة العالية جدًا في المنطقة المرئية من الطيف في الوضع النبضي.

هناك حاجة إلى قوى عالية للعديد من التجارب في دراسة الخصائص البصرية غير الخطية للمواد. في الوقت الحاضر ، لم يتم الحصول على قدرات عالية في ليزر الغاز لأن كثافة الذرات فيها ليست عالية بما يكفي. ومع ذلك ، بالنسبة لجميع الاستخدامات الأخرى تقريبًا ، يمكن العثور على نوع معين من ليزر الغاز الذي سيتفوق في الأداء على كل من ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بصريًا وليزر أشباه الموصلات.

مجموعة كبيرة من ليزرات الغاز عبارة عن ليزر تفريغ الغاز ، حيث يكون الوسط النشط عبارة عن غاز مخلخل (ضغط 1-10 مم زئبق) ، ويتم الضخ عن طريق تفريغ كهربائي ، يمكن أن يتوهج أو قوسًا ، ويتم إنشاؤه بواسطة التيار المباشر أو التيار المتردد عالي التردد (10-50 ميجا هرتز).

هناك عدة أنواع من ليزر تفريغ الغاز. في الليزر الأيوني ، يتم الحصول على الإشعاع بسبب انتقالات الإلكترونات بين مستويات طاقة الأيونات. مثال على ذلك هو ليزر الأرجون ، الذي يستخدم تفريغ القوس الكهربائي.

تولد الليزر المعتمد على التحولات الذرية بسبب انتقالات الإلكترونات بين مستويات طاقة الذرات. تنتج هذه الليزرات إشعاعًا بطول موجة يتراوح بين 0.4 و 100 ميكرومتر. مثال على ذلك هو ليزر الهليوم-نيون الذي يعمل على مزيج من الهيليوم والنيون بضغط يبلغ حوالي 1 مم زئبق. فن. للضخ ، يتم استخدام تفريغ توهج ، يتم إنشاؤه بواسطة جهد ثابت يبلغ حوالي 1000 فولت.

تنتمي الليزرات الجزيئية أيضًا إلى ليزر تفريغ الغاز ، حيث ينشأ الإشعاع من انتقالات الإلكترون بين مستويات طاقة الجزيئات. تتمتع هذه الليزرات بنطاق تردد واسع ، يتوافق مع أطوال موجية من 0.2 إلى 50 ميكرومتر.

أكثر أنواع ليزر ثاني أكسيد الكربون الجزيئي شيوعًا (ليزر ثاني أكسيد الكربون). يمكن أن توفر طاقة تصل إلى 10 كيلوواط ولها كفاءة عالية إلى حد ما - حوالي 40 ٪. عادة ما يتم إضافة النيتروجين والهيليوم والغازات الأخرى إلى ثاني أكسيد الكربون الرئيسي. للضخ ، يتم استخدام تفريغ توهج للتيار المباشر أو التردد العالي. ينتج ليزر ثاني أكسيد الكربون إشعاعًا بطول موجة يبلغ حوالي 10 ميكرون.

يعد تصميم المولدات الكمية شاقًا للغاية نظرًا للتنوع الكبير في العمليات التي تحدد أدائها ، ولكن على الرغم من ذلك ، يتم استخدام ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون في العديد من المجالات.

على أساس ليزر ثاني أكسيد الكربون ، تم تطوير أنظمة التوجيه بالليزر وأنظمة تحديد الموقع لمراقبة البيئة (الليدار) والتركيبات التكنولوجية للحام بالليزر وقطع المعادن والمواد العازلة وتركيبات لكشط الأسطح الزجاجية وتصلب أسطح منتجات الصلب وتشغيلها بنجاح. أيضًا ، يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات الفضائية.

الهدف الرئيسي من الانضباط "أجهزة وأجهزة الكم الإلكترونية الضوئية" هو دراسة الأسس المادية والأجهزة ومبادئ التشغيل وخصائص ومعلمات أهم الأجهزة والأجهزة المستخدمة في أنظمة الاتصالات الضوئية. وتشمل هذه المولدات والمضخمات الكمومية ، والمعدلات الضوئية ، وأجهزة الكشف الضوئية ، والعناصر والأجهزة البصرية غير الخطية ، والمكونات البصرية الثلاثية الأبعاد والمتكاملة. هذا يعني أهمية موضوع مشروع الدورة هذا.

الغرض من مشروع الدورة هذا هو وصف ليزر الغاز وحساب ليزر الهليوم نيون.

وفقًا للهدف ، يتم حل المهام التالية:

دراسة مبدأ تشغيل المولد الكمي ؛

دراسة الجهاز ومبدأ تشغيل ليزر ثاني أكسيد الكربون ؛

دراسة وثائق السلامة عند العمل مع الليزر ؛

حساب ليزر ثاني أكسيد الكربون.

1 مبدأ تشغيل مولد الكم

يعتمد مبدأ تشغيل مولدات الكم على تضخيم الموجات الكهرومغناطيسية باستخدام تأثير الإشعاع المحفز (المستحث). يتم توفير التضخيم بسبب إطلاق الطاقة الداخلية أثناء انتقالات الذرات والجزيئات والأيونات التي يتم تحفيزها بواسطة الإشعاع الخارجي من مستوى طاقة علوي متحمس إلى مستوى أقل (موجود أدناه). هذه التحولات القسرية ناتجة عن الفوتونات. يمكن حساب طاقة الفوتون بالصيغة:

hν \ u003d E 2 - E 1 ،

حيث E2 و E1 هما طاقات المستويات العليا والسفلى ؛

ع = 6.626 ∙ 10-34 J ∙ s - ثابت بلانك ؛

ν = c / هو تردد الإشعاع ، c هو سرعة الضوء ، λ هو الطول الموجي.

يتم إجراء الإثارة ، أو كما يطلق عليها عادة ، الضخ ، إما مباشرة من مصدر للطاقة الكهربائية ، أو بسبب تدفق الإشعاع الضوئي ، أو تفاعل كيميائي ، أو عدد من مصادر الطاقة الأخرى.

في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري ، يتم تحديد توزيع الطاقة للجسيمات بشكل فريد من خلال درجة حرارة الجسم ويتم وصفه بواسطة قانون بولتزمان ، والذي بموجبه كلما ارتفع مستوى الطاقة ، انخفض تركيز الجسيمات في حالة معينة ، وبعبارة أخرى ، انخفض عدد سكانها.

تحت تأثير الضخ ، الذي ينتهك التوازن الديناميكي الحراري ، يمكن أن ينشأ الوضع المعاكس ، عندما يتجاوز عدد سكان المستوى الأعلى عدد سكان المستوى السفلي. تحدث حالة تسمى انعكاس السكان. في هذه الحالة ، فإن عدد التحولات القسرية من مستوى الطاقة الأعلى إلى المستوى الأدنى ، حيث يحدث الإشعاع المستحث ، سوف يتجاوز عدد التحولات العكسية ، مصحوبة بامتصاص الإشعاع الأولي. نظرًا لأن اتجاه الانتشار والطور والاستقطاب للإشعاع المستحث يتزامن مع الاتجاه والطور والاستقطاب للإشعاع المؤثر ، ينشأ تأثير تضخيمه.

الوسيط الذي يمكن فيه تضخيم الإشعاع بسبب التحولات المستحثة يسمى الوسيط النشط. المعلمة الرئيسية التي تميز خصائص التضخيم هي المعامل أو عامل التضخيم k - المعلمة التي تحدد التغيير في تدفق الإشعاع عند التردد ν لكل وحدة طول مساحة التفاعل.

يمكن تحسين خصائص التضخيم للوسط النشط بشكل كبير من خلال تطبيق مبدأ التغذية المرتدة الإيجابية المعروفة في الفيزياء الإشعاعية ، عندما يتم إرجاع جزء من الإشارة المضخمة إلى الوسط النشط وإعادة تضخيمها. إذا تجاوز الكسب ، في هذه الحالة ، جميع الخسائر ، بما في ذلك الخسائر المستخدمة كإشارة مفيدة (خسائر مفيدة) ، يحدث وضع التوليد التلقائي.

يبدأ التوليد الذاتي بظهور التحولات التلقائية ويتطور إلى مستوى ثابت ما ، يحدده التوازن بين الربح والخسارة.

في الإلكترونيات الكمومية ، لإنشاء ردود فعل إيجابية عند طول موجي معين ، يتم استخدام الرنانات المفتوحة بشكل أساسي - نظام من مرآتين ، إحداهما (صماء) يمكن أن تكون غير شفافة تمامًا ، والثانية (الإخراج) تكون شفافة.

تتوافق منطقة توليد الليزر مع النطاق البصري للموجات الكهرومغناطيسية ؛ لذلك ، تسمى مرنانات الليزر أيضًا الرنانات الضوئية.

يظهر الشكل 1 مخطط وظيفي نموذجي لليزر مع العناصر المذكورة أعلاه.

يجب أن يكون العنصر الهيكلي الإلزامي لليزر الغازي عبارة عن غلاف (أنبوب تفريغ) ، يوجد في حجمه غاز بتركيبة معينة عند ضغط معين. على الجانبين ، يتم إغلاق الغلاف بنوافذ مصنوعة من مادة شفافة لإشعاع الليزر. يسمى هذا الجزء الوظيفي من الجهاز العنصر النشط. تم تعيين النوافذ لتقليل خسائر الانعكاس من سطحها على زاوية Brewster. دائمًا ما يكون إشعاع الليزر في مثل هذه الأجهزة مستقطبًا.

يُطلق على العنصر النشط ، جنبًا إلى جنب مع المرايا الرنانة المثبتة خارج العنصر النشط ، اسم الباعث. يكون البديل ممكنًا عندما يتم تثبيت المرايا الرنانة مباشرة على نهايات غلاف العنصر النشط ، مع أداء وظيفة النوافذ في نفس الوقت لإغلاق حجم الغاز (الليزر مع المرايا الداخلية).

يتم تحديد اعتماد التردد على كسب الوسيط النشط (حلقة الكسب) من خلال شكل الخط الطيفي للانتقال الكمي العامل. يحدث توليد الليزر فقط في مثل هذه الترددات داخل هذه الدائرة ، حيث يتناسب عدد صحيح من نصف الموجات في الفراغ بين المرايا. في هذه الحالة ، نتيجة لتداخل الموجات المباشرة والمتخلفة ، يتم تشكيل ما يسمى بالموجات الواقفة مع عقد الطاقة على المرايا في الرنان.

يمكن أن يكون هيكل المجال الكهرومغناطيسي للموجات الواقفة في الرنان شديد التنوع. تسمى التكوينات الخاصة به تعديل. تسمى التذبذبات ذات الترددات المختلفة ولكن نفس توزيع المجال في الاتجاه العرضي الأوضاع الطولية (أو المحورية). ترتبط بالموجات التي تنتشر بشكل صارم على طول محور الرنان. التذبذبات التي تختلف عن بعضها البعض في توزيع المجال في الاتجاه العرضي ، على التوالي - أوضاع عرضية (أو غير محورية). وهي مرتبطة بموجات تنتشر بزوايا صغيرة مختلفة على المحور ولها ، على التوالي ، المكون المستعرض لمتجه الموجة. يستخدم الاختصار التالي لتعيين الأوضاع المختلفة: TEMmn. في هذا الترميز ، m و n هي مؤشرات توضح تواتر تغير المجال على المرايا على طول إحداثيات مختلفة في الاتجاه العرضي. إذا تم إنشاء الوضع الأساسي (الأدنى) فقط أثناء عملية الليزر ، فإن المرء يتحدث عن عملية أحادية الوضع. إذا كان هناك عدة أوضاع عرضية ، فإن الوضع يسمى متعدد الأوضاع. عند التشغيل في الوضع الأحادي ، يكون التوليد ممكنًا عند عدة ترددات بعدد مختلف من الأوضاع الطولية. إذا حدث التوليد في وضع طولي واحد فقط ، يتحدث المرء عن وضع أحادي التردد.

الشكل 1 - مخطط ليزر غازي.

يتم استخدام التسميات التالية في الشكل:

1. مرايا الرنان البصري.
2. نوافذ الرنان البصري
3. أقطاب كهربائية.
4. أنبوب التصريف.

2 تصميم ومبدأ تشغيل ليزر ثاني أكسيد الكربون

من الناحية التخطيطية ، يظهر جهاز ليزر ثاني أكسيد الكربون في الشكل 2.

الشكل 2 - مبدأ جهاز ليزر ثاني أكسيد الكربون.

أحد أكثر أنواع ليزر ثاني أكسيد الكربون شيوعًا هو الليزر الديناميكي الغازي. في نفوسهم ، يتحقق الانعكاس السكاني الضروري لإشعاع الليزر بسبب حقيقة أن الغاز مسخن مسبقًا إلى 1500 كلفن عند ضغط 20-30 ضغط جوي. ، يدخل غرفة العمل ، حيث يتمدد ، وتنخفض درجة حرارته وضغطه بشكل حاد. يمكن أن تنتج مثل هذه الليزرات إشعاعًا مستمرًا بقوة تصل إلى 100 كيلو واط.

لإنشاء وسيط نشط (كما يقولون ، "ضخ") من ليزر ثاني أكسيد الكربون ، غالبًا ما يتم استخدام تفريغ توهج التيار المستمر. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام التفريغ عالي التردد بشكل متزايد. لكن هذه قضية منفصلة. إن التفريغ عالي التردد وأهم التطبيقات التي وجدها في عصرنا (ليس فقط في تقنية الليزر) هو موضوع مقال منفصل. فيما يتعلق بالمبادئ العامة لتشغيل ليزر ثاني أكسيد الكربون للتفريغ الكهربائي ، والمشكلات التي تنشأ في هذه الحالة ، وبعض التصاميم التي تعتمد على استخدام تفريغ تيار مباشر.

في بداية السبعينيات ، في سياق تطوير ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة ، أصبح من الواضح أن التفريغ تميز بسمات غير معروفة حتى الآن وعدم استقرار كان ضارًا بأشعة الليزر. إنها تشكل عقبات لا يمكن التغلب عليها تقريبًا لمحاولات ملء حجم كبير بالبلازما عند ضغط مرتفع ، وهو بالضبط ما هو مطلوب للحصول على طاقة ليزر عالية. ربما لم تخدم أي من المشاكل ذات الطبيعة التطبيقية تقدم علم التفريغ الكهربائي في الغازات في العقود الأخيرة بقدر مهمة إنشاء ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة.

ضع في اعتبارك مبدأ تشغيل ليزر ثاني أكسيد الكربون.

الوسط النشط لأي ليزر تقريبًا عبارة عن مادة ، في جزيئات أو ذرات معينة ، في زوج معين من المستويات ، يمكن إنشاء مجموعة عكسية. هذا يعني أن عدد الجزيئات في الحالة الكمومية العليا المقابلة لانتقال الليزر الإشعاعي يتجاوز عدد الجزيئات في الجزء السفلي. على عكس الوضع المعتاد ، لا يتم امتصاص شعاع الضوء الذي يمر عبر مثل هذا الوسط ، بل يتم تضخيمه ، مما يفتح إمكانية توليد الإشعاع.

هل كنت تعلم، ما هي التجربة الفكرية ، تجربة gedanken؟
إنها ممارسة غير موجودة ، تجربة دنيوية أخرى ، تخيل ما هو غير موجود بالفعل. تجارب الفكر مثل أحلام اليقظة. يلدون الوحوش. على عكس التجربة الفيزيائية ، التي تعد اختبارًا تجريبيًا للفرضيات ، فإن "التجربة الفكرية" تستبدل بطريقة سحرية الاختبار التجريبي بالاستنتاجات المرغوبة غير المختبرة ، وتتلاعب بالتركيبات المنطقية التي تنتهك المنطق نفسه فعليًا باستخدام مقدمات غير مثبتة على أنها فرضيات مثبتة ، أي عن طريق الاستبدال. وبالتالي ، فإن المهمة الرئيسية لمقدمي "التجارب الفكرية" هي خداع المستمع أو القارئ عن طريق استبدال التجربة الجسدية الحقيقية بـ "الدمية" - التفكير الوهمي عند الإفراج المشروط دون التحقق المادي نفسه.
أدى ملء الفيزياء بـ "تجارب فكرية" خيالية إلى صورة سخيفة وسريالية ومربكة للعالم. يجب على الباحث الحقيقي أن يميز هذه "الأغلفة" عن القيم الحقيقية.

يجادل النسبيون والوضعيون بأن "التجربة الفكرية" هي أداة مفيدة للغاية لاختبار النظريات (الناشئة أيضًا في أذهاننا) من أجل الاتساق. في هذا يخدعون الناس ، لأن أي تحقق لا يمكن أن يتم إلا من قبل مصدر مستقل عن موضوع التحقق. لا يمكن لمقدم طلب الفرضية نفسه أن يكون اختبارًا لبيانه ، لأن سبب هذا البيان نفسه هو عدم وجود تناقضات مرئية لمقدم الطلب في البيان.

نرى هذا في مثال SRT و GR ، اللذان تحولا إلى نوع من الدين الذي يحكم العلم والرأي العام. لا يمكن لأي قدر من الحقائق التي تتعارض معها التغلب على صيغة أينشتاين: "إذا كانت الحقيقة لا تتوافق مع النظرية ، فغيّر الحقيقة" (في نسخة أخرى ، "ألا تتوافق الحقيقة مع النظرية؟ - أسوأ بكثير بالنسبة للحقيقة").

الحد الأقصى الذي يمكن أن تدعيه "التجربة الفكرية" هو فقط الاتساق الداخلي للفرضية في إطار المنطق الخاص بمقدم الطلب ، وغالبًا لا يكون ذلك صحيحًا بأي حال من الأحوال. الامتثال للممارسة لا يتحقق من ذلك. لا يمكن إجراء الاختبار الحقيقي إلا في تجربة فيزيائية حقيقية.

التجربة هي تجربة ، لأنها ليست تنقيحًا للفكر ، بل اختبارًا للفكر. الفكر المتسق داخل نفسه لا يمكن أن يختبر نفسه. وقد أثبت ذلك كيرت جودل.