لیزر تزریق نیمه هادی. دوره کار لیزر نیمه هادی محاسبه و طراحی لیزر نیمه هادی

لیزرهای تزریق نیمه هادی،درست مانند نوع دیگری از ساطع کننده های حالت جامد - ال ای دی ها،مهمترین عنصر هر سیستم اپتوالکترونیکی هستند. عملکرد هر دو دستگاه بر اساس پدیده است الکترولومینسانسدر رابطه با ساطع کننده های نیمه هادی فوق، مکانیسم الکترولومینسانس توسط نوترکیبی تابشیحامل های بار غیر تعادلی تزریق می شوند اتصال p-n.

اولین LED ها در اواخر دهه 50 و 60 قرن بیستم و در سال 1961 ظاهر شدند. N.G. باسوف، O.N. کروخین و یو.م. پوپوفپیشنهاد استفاده از تزریق در اتصالات دژنره شده p-n برای به دست آوردن اثر لیزر است. در سال 1962، فیزیکدانان آمریکایی آر. هالو همکاران باریک شدن خط انتشار طیفی یک LED نیمه هادی امکان پذیر بود که به عنوان جلوه ای از اثر لیزر ("ابر تابش") تفسیر شد. در سال 1970، فیزیکدانان روسی - Zh.I. آلفروفو همکاران اولین ها ساخته شد لیزرهای ناهم ساختاراین امر امکان ساخت دستگاه ها را برای تولید سریال انبوه فراهم کرد که در سال 2000 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. در حال حاضر لیزرهای نیمه هادی عمدتاً در دستگاه هایی برای ضبط و خواندن اطلاعات از رایانه، سی دی های صوتی و تصویری استفاده می شود. مزایای اصلی لیزرهای نیمه هادی عبارتند از:

1. مقرون به صرفه،با راندمان بالای تبدیل انرژی پمپ به انرژی تابش منسجم تضمین می شود.

2. اینرسی کم،به دلیل زمان مشخصه کوتاه برای ایجاد حالت تولید (~ 10-10 ثانیه)؛

3. فشردگی،مرتبط با خاصیت نیمه هادی ها برای ایجاد بهره نوری عظیم.

4. دستگاه سادهمنبع تغذیه ولتاژ پایین، سازگاری با مدارهای مجتمع ("ریزتراشه")؛

5. فرصت تنظیم طول موج صافدر محدوده وسیعی به دلیل وابستگی خواص نوری نیمه هادی ها به دما، فشار و غیره.

ویژگی اصلیدر آنها از لیزرهای نیمه هادی استفاده شده است انتقال های نوریشامل سطوح انرژی (حالت های انرژی) مناطق اصلی انرژی الکترونیکیکریستال این تفاوت بین لیزرهای نیمه هادی و به عنوان مثال لیزرهای یاقوتی است که از انتقال نوری بین سطوح ناخالصی یون کروم Cr 3 + در Al 2 O 3 استفاده می کنند. برای استفاده در لیزرهای نیمه هادی، ترکیبات نیمه هادی A III B V مناسب ترین هستند (به مقدمه مراجعه کنید). بر اساس این ترکیبات و آنهاست محلول های جامداکثر لیزرهای نیمه هادی توسط صنایع تولید می شوند. در بسیاری از مواد نیمه هادی این کلاس، نوترکیب حامل های جریان اضافی توسط مستقیمانتقال نوری بین حالت های پر شده در نزدیکی پایین نوار هدایت و حالت های آزاد در نزدیکی بالای نوار ظرفیت (شکل 1). احتمال بالای انتقال نوری در شکاف مستقیمنیمه هادی ها و چگالی بالای حالت ها در باندها امکان به دست آوردن آن را فراهم می کند بهره نوری بالادر یک نیمه هادی

عکس. 1. انتشار فوتون در طول نوترکیبی تابشی در یک نیمه هادی با شکاف مستقیم با جمعیت معکوس.

بیایید اصول اولیه عملکرد یک لیزر نیمه هادی را در نظر بگیریم. اگر کریستال نیمه هادی در یک حالت باشد تعادل ترمودینامیکیبا محیط زیست، پس او فقط قادر است جذببرخورد تشعشع بر روی آن شدت نوری که مسافتی را در یک کریستال طی می کند ایکس، با رابطه شناخته شده داده می شود بوگر-لامبرت

اینجا آر- ضریب بازتاب نور؛

α - ضریب جذب نور

برای اجازه دادن به نور تشدید شدعبور از کریستال به جای ضعیف شدن، لازم است که ضریب α کمتر از صفر بود که اینطور است محیط تعادل ترمودینامیکی غیرممکن است.برای عملکرد هر لیزر (گاز، مایع، حالت جامد) لازم است که محیط کار لیزر در یک حالت باشد. جمعیت معکوس –حالتی که در آن تعداد الکترون‌ها در سطوح انرژی بالا بیشتر از سطوح انرژی پایین‌تر باشد (به این حالت «حالت دمای منفی» نیز می‌گویند). اجازه دهید رابطه ای را به دست آوریم که وضعیت جمعیت معکوس را در نیمه هادی ها توصیف می کند.

اجازه دهید ε 1و ε 2 – جفت شده نوریسطوح انرژی بین یکدیگر، که اولی در باند ظرفیت، و دومی در نوار هدایت نیمه هادی است (شکل 2). اصطلاح "اتصال نوری" به این معنی است که انتقال الکترون بین آنها توسط قوانین انتخاب مجاز است. جذب یک کوانتوم نور با انرژی hν 12، الکترون از سطح حرکت می کند ε 1در هر سطح ε 2. سرعت چنین انتقالی متناسب با احتمال پر شدن سطح اول خواهد بود f 1، احتمال خالی بودن سطح دوم: (1- f 2) و چگالی شار فوتون P(hν 12)

انتقال معکوس - از سطح بالا به پایین، می تواند به دو صورت رخ دهد - به دلیل خود جوشو مجبور شدنوترکیبی در حالت دوم، برهمکنش یک کوانتوم نور با یک الکترون واقع در سطح ε2، الکترون را مجبور به ترکیب مجدد با انتشارکوانتومی نور، همسانموردی که باعث فرآیند نوترکیبی اجباری شد. که تقویت نور در سیستم اتفاق می افتد، که جوهره عملکرد لیزر است. نرخ نوترکیبی خود به خود و اجباری به صورت زیر نوشته می شود:

(3)

در حالت تعادل ترمودینامیکی

. (5)

با استفاده از شرط 5 می توان نشان داد که ضرایب در ساعت 12, در 21و A 21("ضرایب اینشتین") با یکدیگر مرتبط هستند، یعنی:

, (6)

جایی که n -ضریب شکست نیمه هادی؛ با- سرعت نور.

با این حال، در موارد زیر، ما نوترکیب خود به خود را در نظر نخواهیم گرفت، زیرا سرعت نوترکیبی خود به خود به چگالی شار فوتون در محیط کاری لیزر بستگی ندارد و نرخ نوترکیبی اجباری در مقادیر زیادی خواهد بود. Р(hν 12) به طور قابل توجهی از نرخ نوترکیبی خود به خود فراتر می رود. برای اینکه تقویت نور رخ دهد، سرعت انتقال اجباری از بالا به پایین باید از سرعت انتقال از پایین به بالا بیشتر شود:

نوشتن احتمالات الکترون هایی که سطوح انرژی را اشغال می کنند ε 1و ε 2مانند

, (8)

شرط جمعیت معکوس در نیمه هادی ها را به دست می آوریم

زیرا حداقل فاصله بین سطوح ε 1و ε 2فقط برابر با فاصله باند نیمه هادی است ε.این رابطه به عنوان شناخته شده است رابطه برنارد دورافور

فرمول 9 شامل مقادیر به اصطلاح است. سطوح شبه فرمی- سطوح فرمی به طور جداگانه برای باند هدایت اف سیو باند ظرفیت F V. این وضعیت فقط برای یک وضعیت غیرتعادلی یا به عبارت دقیق تر، برای شبه تعادلسیستم های. برای تشکیل سطوح فرمی در هر دو باند مجاز (سطوحی که حالت‌های پر از الکترون و حالت خالی را از هم جدا می‌کنند (به مقدمه مراجعه کنید) لازم است که زمان آرامش نبضچندین مرتبه از الکترون ها و حفره ها وجود داشت طول عمر کمترحامل های شارژ اضافی:

در نتیجه عدم تعادلبه طور کلی گاز الکترون حفره را می توان به صورت ترکیبی در نظر گرفت الکترونیکی تعادلگاز در ناحیه هدایت و سوراخ تعادلگاز در باند ظرفیت (شکل 2).

شکل 2. نمودار انرژی یک نیمه هادی با جمعیت سطح معکوس. حالت های پر از الکترون سایه دار هستند.

روش ایجاد جمعیت معکوس در محیط کاری لیزر (در مورد ما، در یک کریستال نیمه هادی) نامیده می شود. پمپاژلیزرهای نیمه هادی را می توان از بیرون با نور، پرتوی از الکترون های سریع، میدان فرکانس رادیویی قوی یا یونیزاسیون ضربه ای در خود نیمه هادی پمپ کرد. اما ساده ترین، مقرون به صرفه ترین و با توجه به این واقعیت، رایج ترینروش پمپاژ لیزرهای نیمه هادی است تزریقحامل های شارژ در یک اتصال p-n منحط(به کتابچه راهنمای روش شناختی "فیزیک دستگاه های نیمه هادی"؛ دیود تونل مراجعه کنید). اصل چنین پمپاژی از شکل 3 مشخص است نمودار انرژیچنین انتقالی در حالت تعادل ترمودینامیکی و در تعصب بزرگ رو به جلو. مشاهده می شود که در ناحیه d، مستقیماً در مجاورت اتصال p-n، جمعیت معکوس تحقق می یابد - فاصله انرژی بین سطوح شبه فرمی بیشتر از فاصله باند است.

شکل 3. یک اتصال pn منحط در حالت تعادل ترمودینامیکی (چپ) و در یک بایاس بزرگ رو به جلو (راست).

اما ایجاد جمعیت معکوس در محیط کار است لازم،اما همچنین شرط کافی نیستبرای تولید تابش لیزر در هر لیزری و به ویژه در لیزر نیمه هادی، بخشی از نیروی پمپ تامین شده به دستگاه بیهوده از بین می رود. و تنها زمانی که قدرت پمپاژ از مقدار معینی تجاوز کند - آستانه نسل،لیزر به عنوان تقویت کننده نور کوانتومی شروع به کار می کند. وقتی از آستانه تولید فراتر رفت:

· آ) به شدت افزایش می یابدشدت تشعشع ساطع شده از دستگاه (شکل 4a).

ب) مخروطیطیفی خطتشعشع (شکل 4b)؛

· ج) تشعشع می شود منسجم و با تمرکز محدود.

شکل 4. افزایش شدت (چپ) و باریک شدن خط طیفی تابش (راست) لیزر نیمه هادی زمانی که جریان از مقدار آستانه فراتر رود.

برای دستیابی به شرایط لیزر آستانه، معمولاً محیط کار لیزر در آن قرار می گیرد تشدید کننده نوریاین طول مسیر نوری را افزایش می دهدپرتو نور در محیط کار، دستیابی به آستانه لیزر را آسان تر می کند، باعث تمرکز بهتر پرتو و غیره می شود. از بین انواع تشدید کننده های نوری در لیزرهای نیمه هادی، رایج ترین آنها ساده ترین آنهاست. رزوناتور Fabry-Pero– دو آینه صفحه موازی عمود بر اتصال pn. علاوه بر این، لبه های صیقلی خود کریستال نیمه هادی به عنوان آینه استفاده می شود.

اجازه دهید عبور یک موج الکترومغناطیسی از چنین تشدید کننده ای را در نظر بگیریم. اجازه دهید ضریب عبور و بازتاب آینه سمت چپ تشدید کننده را در نظر بگیریم t 1و r 1، راست (که از طریق آن تشعشع خارج می شود) - پشت t 2و r 2; طول تشدید کننده - L. اجازه دهید یک موج الکترومغناطیسی از بیرون در سمت چپ کریستال بیفتد که معادله آن به شکل زیر نوشته می شود:

. (11)

پس از عبور از آینه سمت چپ، کریستال و آینه سمت راست، بخشی از تابش از سمت راست کریستال خارج می شود و بخشی منعکس می شود و دوباره به سمت چپ می رود (شکل 5).

شکل 5. موج الکترومغناطیسی در تشدید کننده فابری-پرو.

مسیر بیشتر پرتو در تشدید کننده، دامنه پرتوهای در حال ظهور و بازتابی از شکل مشخص است. اجازه دهید دامنه همه امواج الکترومغناطیسی آزاد شده را جمع بندی کنیم از طریق سمت راست کریستال:

= (12).

ما مستلزم آن هستیم که مجموع دامنه‌های همه امواجی که از سمت راست بیرون می‌آیند، حتی با یک دامنه ناپدیدکننده کوچک موج در سمت چپ کریستال برابر با صفر نباشد. بدیهی است که این تنها زمانی می تواند اتفاق بیفتد که مخرج کسری در (12) به صفر تمایل داشته باشد. از اینجا دریافت می کنیم:

, (13)

و با در نظر گرفتن این واقعیت که شدت نور، یعنی; ، جایی که آر 1 , آر 2 - ضرایب انعکاس آینه ها - وجوه کریستالی "بر اساس شدت" و به علاوه در نهایت نسبت آستانه لیزر را به صورت زیر می نویسیم:

. (14)

از (11) چنین می شود که ضریب 2G موجود در توان به ضریب شکست پیچیده کریستال مربوط می شود:

در سمت راست (15)، عبارت اول فاز موج نور را مشخص می کند، و دومی، دامنه. در یک محیط معمولی و از نظر ترمودینامیکی تعادل، تضعیف (جذب) نور رخ می دهد؛ در محیط کار فعال لیزر، همان رابطه باید به شکل نوشته شود. ، جایی که g - افزایش نور، و نماد αiتعیین شده است همه ضررهاانرژی پمپ، نه لزوماً فقط نوری. سپس شرایط آستانه دامنهبه صورت زیر بازنویسی خواهد شد:

یا . (16)

بنابراین ما تعریف کرده ایم لازم است(9) و کافی(16) شرایط برای تولید یک لیزر نیمه هادی. به محض ارزش کسب کردنفراتر خواهد رفت تلفاتبا مقدار تعیین شده توسط عبارت اول (16)، در یک محیط کاری با جمعیت معکوس سطوح، نور شروع به تشدید خواهد کرد. بهره خود به قدرت پمپ یا، که برای لیزرهای تزریقی یکسان است، به بزرگی بستگی دارد. جریان عملیاتیدر منطقه کاری معمولی لیزرهای نیمه هادی و به صورت خطی به جریان عملیاتی بستگی دارد

. (17)

از (16) و (17) برای جریان آستانهما گرفتیم:

, (18)

از کجا من 0 به اصطلاح تعیین می شود "آستانه وارونگی" مقدار جریان عملیاتی است که در آن جمعیت معکوس در نیمه هادی به دست می آید. زیرا معمولاً اولین عبارت در (18) را می توان نادیده گرفت.

عامل تناسب β برای لیزر با استفاده از یک اتصال p-n معمولی و ساخته شده، به عنوان مثال، از GaAs را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد

, (19)

جایی که Eو Δ E –موقعیت و نصف عرض خط طیفی تابش لیزر.

محاسبه با استفاده از فرمول 18 در دمای اتاق T = 300 K برای چنین لیزری مقادیر بسیار بالایی از چگالی جریان آستانه 5 را نشان می دهد. 10 4 A/cm 2، یعنی. چنین لیزرهایی را می توان با خنک کننده خوب یا در حالت پالس کوتاه کار کرد. بنابراین، همانطور که در بالا ذکر شد، تنها ایجاد در سال 1970 توسط گروه Zh.I. Alferov لیزرهای هتروجونکشنمجاز 2 مرتبه قدر کاهش می دهدجریان های آستانه لیزرهای نیمه هادی که در نهایت منجر به استفاده گسترده از این دستگاه ها در الکترونیک شد.

برای درک اینکه چگونه این به دست آمد، بیایید نگاهی دقیق تر بیندازیم ساختار از دست دادندر لیزرهای نیمه هادی به غیر اختصاصی، مشترک در تمام لیزرها،و در اصل زیان های جبران ناپذیرضرر و زیان باید به آن نسبت داده شود انتقال خود به خودو زیان در حرارتی شدن

انتقال خود به خوداز سطح بالا به سطح پایین همیشه وجود خواهد داشت و از آنجایی که کوانتوم های نوری ساطع شده در این حالت دارای توزیع تصادفی در فاز و جهت انتشار خواهند بود. منسجم) سپس مصرف انرژی پمپ برای تولید جفت الکترون-حفره که به طور خود به خود ترکیب می شوند باید به عنوان تلفات طبقه بندی شوند.

با هر روش پمپاژ، الکترون هایی با انرژی بیشتر از انرژی تراز شبه فرمی به نوار رسانایی نیمه هادی پرتاب می شوند. اف سی. این الکترون ها، در برخورد با نقص شبکه، انرژی خود را از دست می دهند، به سرعت به سطح شبه فرمی سقوط می کنند - فرآیندی به نام حرارتی شدنانرژی از دست رفته توسط الکترون ها در هنگام پراکندگی آنها بر روی عیوب شبکه، اتلاف حرارتی است.

به تا حدی قابل جابجاییزیان می تواند شامل ضرر و زیان باشد نوترکیبی غیر تشعشعی. در نیمه هادی های با شکاف مستقیم، سطوح ناخالصی عمیق معمولاً مسئول نوترکیب غیر تشعشعی هستند (به «اثر فوتوالکتریک در نیمه هادی های همگن» مراجعه کنید). تمیز کردن دقیق کریستال نیمه هادی از ناخالصی هایی که چنین سطوحی را تشکیل می دهند، احتمال بازترکیب غیر تابشی را کاهش می دهد.

و در نهایت، ضرر و زیان در جذب غیر رزونانسیو در جریان های نشتیمی توان با استفاده از لیزر برای ساخت به میزان قابل توجهی کاهش داد ناهم ساختارها

بر خلاف اتصالات p-n معمولی، که در آن نیمه هادی های یکسان در سمت راست و چپ نقطه تماس قرار دارند و تنها در ترکیب ناخالصی ها و نوع رسانایی متفاوت هستند، در ساختارهای ناهمگون، نیمه هادی هایی با ترکیبات شیمیایی مختلف در هر دو طرف تماس قرار دارند. این نیمه هادی ها دارای شکاف های نواری متفاوتی هستند، بنابراین در نقطه تماس "پرش" در انرژی پتانسیل الکترون وجود خواهد داشت (نوع "قلاب" یا نوع "دیوار" (شکل 6)).

شکل 6. لیزر تزریقی مبتنی بر ساختار ناهمسان دو طرفه در حالت تعادل ترمودینامیکی (چپ) و در حالت عملکرد (راست).

بسته به نوع رسانایی نیمه هادی ها، ساختارهای ناهمسان می توانند باشند ایزوتیپی(p-P؛ n-N ناهمساختارها) و ناهمسان(p-N؛ n-P ناهمساختار). در ساختارهای ناهمسان، حروف بزرگ معمولاً یک نیمه هادی با شکاف باند بزرگتر را نشان می دهند. همه نیمه هادی ها قادر به ایجاد ساختارهای ناهمسان با کیفیت بالا و مناسب برای ایجاد دستگاه های الکترونیکی بر اساس آنها نیستند. برای اینکه رابط تا حد ممکن دارای نقص باشد، اجزای ساختار ناهمسان باید داشته باشند همان ساختار کریستالیو خیلی ارزش های نزدیکثابت شبکه در میان نیمه هادی های گروه A III B V، تنها دو جفت ترکیب این نیاز را برآورده می کنند: GaAs-AlAs و GaSb-AlSb و آنها محلول های جامد(به مقدمه مراجعه کنید)، یعنی. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. با پیچیده کردن ترکیب نیمه هادی ها، می توان جفت های مناسب دیگری را برای ایجاد ساختارهای ناهمسان انتخاب کرد، برای مثال InP-In x Ga 1- x As y P 1- y. InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. لیزرهای تزریقی نیز از ساختارهای ناهمگن بر اساس ترکیبات نیمه هادی A IV B VI، مانند PbTe-Pb x Sn 1- x Te ساخته می شوند. PbSe-Pb x Sn 1-x Se - این لیزرها در ناحیه مادون قرمز دور طیف ساطع می کنند.

ضرر و زیان در جریان های نشتیدر هترولزرها به دلیل تفاوت در شکاف های باند نیمه هادی هایی که ساختار ناهمسان را تشکیل می دهند، تقریباً به طور کامل حذف می شود. در واقع (شکل 3)، عرض ناحیه d در نزدیکی یک اتصال p-n معمولی، که در آن شرایط جمعیت معکوس برآورده می شود، تنها 1 میکرومتر است، در حالی که حامل های بار تزریق شده از طریق اتصال در یک منطقه بسیار بزرگتر L n + دوباره ترکیب می شوند. L p با عرض 10 میکرومتر. نوترکیب حامل ها در این منطقه به انتشار منسجم کمک نمی کند. که در دو طرفهناهمگونی N-p-P (شکل 6) منطقه با جمعیت معکوس منطبق با ضخامت لایه نیمه هادی با شکاف باریک استدر مرکز هترولزر. تقریبا همه چیزالکترون ها و حفره هایی که از نیمه هادی های با شکاف گسترده به این ناحیه تزریق می شوند در آنجا دوباره ترکیب می شوند.موانع بالقوه در سطح مشترک بین نیمه هادی های با شکاف گسترده و شکاف باریک از "گسترش" حامل های بار جلوگیری می کند، که به طور چشمگیری کارایی چنین ساختاری را در مقایسه با اتصال p-n معمولی (شکل 3) افزایش می دهد.

نه تنها الکترون ها و حفره های غیر تعادلی در لایه یک نیمه هادی با شکاف باریک متمرکز می شوند، بلکه همچنین بیشتر تابشدلیل این پدیده این است که نیمه هادی هایی که ساختار ناهمسان را تشکیل می دهند از نظر مقدار ضریب شکست آنها متفاوت است. به طور معمول، ضریب شکست برای یک نیمه هادی با شکاف باریک بالاتر است. بنابراین، تمام پرتوهایی که دارای زاویه تابش در مرز دو نیمه رسانا هستند

, (20)

متحمل خواهد شد بازتاب داخلی کلدر نتیجه، تابش در لایه فعال "قفل" خواهد شد (شکل 7)، که به طور قابل توجهی تلفات را کاهش می دهد. جذب غیر رزونانسی(معمولاً این به اصطلاح "جذب توسط حامل های شارژ رایگان" است).

شکل 7. محدودیت نوری در طول انتشار نور در یک ساختار ناهمسان در زاویه تابش بیشتر از θ، بازتاب داخلی کل از سطح مشترک بین نیمه هادی هایی که ساختار ناهمسان را تشکیل می دهند، رخ می دهد.

تمام موارد فوق امکان به دست آوردن در هترولزرها را فراهم می کند بهره نوری غول پیکربا ابعاد میکروسکوپی منطقه فعال: ضخامت لایه فعال، طول تشدید کننده . هترولایزرها در دمای اتاق کار می کنند حالت پیوسته، و مشخصه چگالی جریان عملیاتیاز 500 A/cm2 تجاوز نکنید. طیف انتشاراکثر لیزرهای تجاری تولید شده که در آنها محیط کار وجود دارد آرسنید گالیم،نشان دهنده یک خط باریک با حداکثر در ناحیه نزدیک به مادون قرمز طیف است ، اگرچه لیزرهای نیمه هادی ساخته شده اند که تشعشع مرئی تولید می کنند و لیزرهایی که در ناحیه مادون قرمز دور ساطع می کنند. .

ارسال کار خوب خود در پایگاه دانش ساده است. از فرم زیر استفاده کنید

دانشجویان، دانشجویان تحصیلات تکمیلی، دانشمندان جوانی که از دانش پایه در تحصیل و کار خود استفاده می کنند از شما بسیار سپاسگزار خواهند بود.

اسناد مشابه

انتشار یک پالس انرژی الکترومغناطیسی در امتداد یک راهنمای نور. پراکندگی intermode در فیبرهای چند حالته. تعیین پراکندگی درون مد. پراکندگی مواد و موجبر در یک راهنمای نور فیبر تک حالته. طول موج پراکندگی صفر

تست، اضافه شده در 2011/05/18


مکانیزم پمپاژ تزریق بزرگی ولتاژ بایاس. ویژگی های اصلی لیزرهای نیمه هادی و گروه های آنها طیف انتشار معمولی یک لیزر نیمه هادی. مقادیر جریان های آستانه. قدرت تابش لیزر در حالت پالسی.

ارائه، اضافه شده در 2014/02/19


محاسبه طول بخش بازسازی یک سیستم فیبر نوری (FOLS) برای انتقال اطلاعات با توجه به پارامترهای داده شده پتانسیل انرژی سیستم و پراکندگی در راهنماهای نور فیبر. ارزیابی سرعت خطوط ارتباطی فیبر نوری تعریف پهنای باند

تست، اضافه شده در 2014/05/29


تقویت کننده سیگنال نوری اربیوم پارامترهای تقویت کننده های فیبر قدرت خروجی سیگنال و بازده انرژی پمپ. عرض و یکنواختی باند افزایش. لیزر پمپ نیمه هادی "LATUS-K". طراحی پمپ لیزری

پایان نامه، اضافه شده در 2015/12/24


مراحل توسعه و چشم انداز اجرای یک پروژه برای ایجاد یک مجموعه لیزری کم هزینه بر اساس یک لیزر نیمه هادی که برای پردازش مواد آلی در نظر گرفته شده است. بررسی پارامترها و ویژگی های اصلی ردیاب نوری.

کار دوره، اضافه شده در 2015/07/15


محاسبه ساختار لیزری نیمه هادی بر اساس اتصالات گروه سوم و پنجم برای خطوط ارتباطی فیبر نوری نسل سوم. انتخاب ساختار کریستالی محاسبه پارامترها، تشدید کننده DFB، خروجی کوانتومی داخلی، محصور شدن نوری.

کار دوره، اضافه شده در 11/05/2015


گذاشتن کابل فیبر نوری با استفاده از تجهیزات سلسله مراتبی دیجیتال همزمان SDH (SDH)، به جای سیستم فشرده K-60p، در بخش Dzhetygara - Komsomolets. محاسبه حداکثر سطوح تابش مجاز یک لیزر نیمه هادی.

پایان نامه، اضافه شده 11/06/2014


بروز یک موج صفحه در سطح مشترک بین دو رسانه، نسبت امپدانس موج و اجزای میدان. انتشار امواج پلاریزه در فیبر فلزی، محاسبه عمق نفوذ آنها. تعیین میدان داخل راهنمای نور دی الکتریک.

کار دوره، اضافه شده در 06/07/2011

معرفی

یکی از برجسته‌ترین دستاوردهای فیزیک در نیمه دوم قرن بیستم، کشف پدیده‌های فیزیکی بود که مبنایی برای ایجاد دستگاه شگفت‌انگیز یک ژنراتور کوانتومی نوری یا لیزر بود.

لیزر منبع نور منسجم تک رنگ با پرتو نور بسیار هدایت کننده است.

ژنراتورهای کوانتومی دسته خاصی از دستگاه های الکترونیکی هستند که مدرن ترین دستاوردها در زمینه های مختلف علم و فناوری را در خود جای داده اند.

لیزرهای گازی لیزرهایی هستند که در آنها محیط فعال گاز، مخلوطی از چند گاز یا مخلوطی از گازها با بخار فلز است.

امروزه لیزرهای گازی پرکاربردترین نوع لیزر هستند. در میان انواع مختلف لیزرهای گازی، همیشه می توان لیزری را یافت که تقریباً هر نیاز لیزری را برآورده کند، به استثنای توان بسیار بالا در ناحیه مرئی طیف در حالت پالسی.

در هنگام مطالعه خواص نوری غیرخطی مواد برای بسیاری از آزمایش‌ها به توان‌های بالا نیاز است. در حال حاضر در لیزرهای گازی به دلیل اینکه چگالی اتم ها به اندازه کافی زیاد نیست، توان بالایی به دست نیامده است. با این حال، تقریباً برای تمام اهداف دیگر، نوع خاصی از لیزر گازی را می توان یافت که هم از لیزرهای حالت جامد با پمپ نوری و هم لیزرهای نیمه هادی برتر است.

گروه بزرگی از لیزرهای گازی متشکل از لیزرهای تخلیه گاز هستند که در آنها محیط فعال یک گاز کمیاب است (فشار 1-10 میلی متر جیوه) و پمپاژ توسط تخلیه الکتریکی انجام می شود که می تواند درخشان یا قوس باشد و ایجاد می شود. با جریان مستقیم یا جریان متناوب فرکانس بالا (10 تا 50 مگاهرتز).

انواع مختلفی از لیزرهای تخلیه گاز وجود دارد. در لیزرهای یونی، تابش با انتقال الکترون بین سطوح انرژی یونی تولید می شود. به عنوان مثال لیزر آرگون است که از تخلیه قوس جریان مستقیم استفاده می کند.

لیزرهای انتقال اتمی توسط انتقال الکترون بین سطوح انرژی اتمی تولید می شوند. این لیزرها پرتوهایی با طول موج 0.4 تا 100 میکرومتر تولید می کنند. یک نمونه لیزر هلیوم-نئون است که بر روی مخلوطی از هلیوم و نئون تحت فشار حدود 1 میلی متر جیوه عمل می کند. هنر برای پمپاژ، از تخلیه درخششی استفاده می شود که با ولتاژ ثابت تقریباً 1000 ولت ایجاد می شود.

لیزرهای تخلیه گاز همچنین شامل لیزرهای مولکولی هستند که در آنها تابش از انتقال الکترون بین سطوح انرژی مولکول ها ایجاد می شود. این لیزرها دارای محدوده فرکانس وسیعی هستند که با طول موج های 0.2 تا 50 میکرومتر مطابقت دارد.

رایج ترین لیزر مولکولی دی اکسید کربن (لیزر CO 2) است. می تواند تا 10 کیلو وات قدرت تولید کند و بازده نسبتاً بالایی در حدود 40٪ دارد. معمولاً ناخالصی های نیتروژن، هلیوم و سایر گازها به دی اکسید کربن اصلی اضافه می شود. برای پمپاژ، از جریان مستقیم یا تخلیه تابش فرکانس بالا استفاده می شود. لیزر دی اکسید کربن تشعشعاتی با طول موج حدود 10 میکرون تولید می کند.

طراحی ژنراتورهای کوانتومی به دلیل طیف گسترده ای از فرآیندها که ویژگی های عملکرد آنها را تعیین می کند، بسیار کار بر است، اما با وجود این، لیزرهای گاز دی اکسید کربن در بسیاری از زمینه ها استفاده می شود.

بر اساس لیزرهای CO 2، سیستم های هدایت لیزری، سیستم های نظارت بر محیط زیست مبتنی بر مکان (لیدارها)، تاسیسات تکنولوژیکی برای جوشکاری لیزری، برش فلزات و مواد دی الکتریک، تاسیسات برای خط کشی سطوح شیشه ای، و سخت شدن سطح محصولات فولادی توسعه یافته و با موفقیت انجام شده است. عمل کرد. لیزرهای CO2 نیز به طور گسترده در سیستم های ارتباطات فضایی استفاده می شود.

هدف اصلی رشته «دستگاه‌ها و دستگاه‌های کوانتومی نوری» مطالعه پایه‌های فیزیکی، طراحی، اصول عملیاتی، ویژگی‌ها و پارامترهای مهم‌ترین ابزارها و دستگاه‌های مورد استفاده در سیستم‌های ارتباط نوری است. اینها شامل ژنراتورها و تقویت‌کننده‌های کوانتومی، مدولاتورهای نوری، آشکارسازهای نوری، عناصر و دستگاه‌های نوری غیرخطی، اجزای نوری هولوگرافیک و یکپارچه می‌شوند. این به معنای مرتبط بودن موضوع این پروژه درسی است.

هدف از این پروژه درسی توصیف لیزرهای گازی و محاسبه لیزر هلیوم نئون است.

مطابق با هدف، وظایف زیر حل می شود:

مطالعه اصل عملکرد یک ژنراتور کوانتومی؛

مطالعه اصول طراحی و عملکرد لیزر CO 2.

مطالعه مستندات ایمنی هنگام کار با لیزر؛

محاسبه لیزر CO 2.

1 اصل عملکرد یک مولد کوانتومی

اصل کار ژنراتورهای کوانتومی مبتنی بر تقویت امواج الکترومغناطیسی با استفاده از اثر تابش اجباری (القایی) است. تقویت با آزاد شدن انرژی داخلی در طول انتقال اتم‌ها، مولکول‌ها و یون‌های تحریک شده توسط تشعشعات خارجی از سطح انرژی بالایی برانگیخته خاص به سطح پایین‌تر (واقع در زیر) تضمین می‌شود. این انتقال های اجباری توسط فوتون ها ایجاد می شوند. انرژی فوتون را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

hν = E 2 - E 1،

که در آن E2 و E1 انرژی های سطوح بالا و پایین هستند.

h = 6.626∙10-34 J∙s - ثابت پلانک.

ν = c/λ – فرکانس تابش، c – سرعت نور، λ – طول موج.

تحریک یا همان طور که معمولاً پمپاژ می شود یا به طور مستقیم از منبع انرژی الکتریکی یا به دلیل جریان تابش نوری، یک واکنش شیمیایی یا تعدادی دیگر از منابع انرژی انجام می شود.

در شرایط تعادل ترمودینامیکی، توزیع انرژی ذرات به طور منحصربه‌فردی توسط دمای بدن تعیین می‌شود و توسط قانون بولتزمن توصیف می‌شود که بر اساس آن هر چه سطح انرژی بالاتر باشد، غلظت ذرات در یک حالت معین کمتر می‌شود. ، هر چه جمعیت آن کمتر باشد.

تحت تأثیر پمپاژ، که تعادل ترمودینامیکی را مختل می کند، زمانی که جمعیت سطح بالایی از جمعیت سطح پایینی بیشتر شود، ممکن است وضعیت معکوس ایجاد شود. شرایطی به نام وارونگی جمعیت رخ می دهد. در این حالت، تعداد انتقال‌های اجباری از سطح انرژی بالا به سطح پایین‌تر، که طی آن تشعشع تحریک‌شده رخ می‌دهد، از تعداد انتقال‌های معکوس همراه با جذب تشعشع اولیه بیشتر خواهد شد. از آنجایی که جهت انتشار، فاز و پلاریزاسیون تابش القایی با جهت، فاز و قطبش تابش تأثیرگذار منطبق است، تأثیر تقویت آن رخ می دهد.

محیطی که در آن تشعشع به دلیل انتقال القایی می تواند تقویت شود، محیط فعال نامیده می شود. پارامتر اصلی که ویژگی های تقویت کننده آن را مشخص می کند ضریب یا شاخص تقویت kν است - پارامتری که تغییر در شار تابش را در فرکانس ν در واحد طول فضای تعامل تعیین می کند.

هنگامی که بخشی از سیگنال تقویت‌شده به محیط فعال باز می‌گردد و دوباره تقویت می‌شود، می‌توان با اعمال اصل بازخورد مثبت، که در رادیوفیزیک شناخته می‌شود، خواص تقویت‌کننده محیط فعال را به میزان قابل توجهی افزایش داد. اگر در این حالت سود از همه تلفات بیشتر شود، از جمله آنهایی که به عنوان سیگنال مفید استفاده می شوند (تلفات مفید)، حالت خود تولیدی رخ می دهد.

خود تولیدی با ظهور انتقال‌های خود به خودی آغاز می‌شود و تا سطح ثابت خاصی توسعه می‌یابد که با تعادل بین سود و زیان تعیین می‌شود.

در الکترونیک کوانتومی، برای ایجاد بازخورد مثبت در یک طول موج معین، از تشدیدگرهای عمدتاً باز استفاده می شود - سیستمی از دو آینه، که یکی از آنها (ناشنوا) می تواند کاملاً مات باشد، دومی (خروجی) نیمه شفاف می شود.

ناحیه تولید لیزر مربوط به محدوده نوری امواج الکترومغناطیسی است، به همین دلیل تشدیدگرهای لیزری نیز تشدید کننده نوری نامیده می شوند.

نمودار عملکردی معمولی یک لیزر با عناصر فوق در شکل 1 نشان داده شده است.

یک عنصر اجباری طراحی لیزر گازی باید یک پوسته (لوله تخلیه گاز) باشد که در حجم آن گازی با ترکیب خاصی در فشار معین وجود دارد. طرف های انتهایی پوسته با پنجره هایی از مواد شفاف در برابر تابش لیزر پوشانده شده است. این قسمت کاربردی دستگاه عنصر فعال نامیده می شود. برای کاهش تلفات ناشی از انعکاس از سطح آنها، پنجره ها با زاویه بروستر نصب می شوند. تابش لیزر در چنین دستگاه هایی همیشه قطبی است.

عنصر فعال همراه با آینه های تشدید کننده نصب شده در خارج از عنصر فعال، امیتر نامیده می شود. هنگامی که آینه های تشدید کننده مستقیماً به انتهای پوسته عنصر فعال ثابت می شوند، یک گزینه امکان پذیر است و همزمان عملکرد پنجره ها را برای آب بندی حجم گاز (لیزر با آینه های داخلی) انجام می دهد.

وابستگی بهره محیط فعال به فرکانس (مدار بهره) با شکل خط طیفی گذار کوانتومی کار تعیین می شود. تولید لیزر فقط در فرکانس‌هایی در این مدار اتفاق می‌افتد که در آن تعداد صحیحی از نیم موج در فضای بین آینه‌ها قرار می‌گیرد. در این حالت در اثر تداخل امواج رو به جلو و عقب در تشدید کننده، امواج به اصطلاح ایستاده با گره های انرژی روی آینه ها تشکیل می شود.

ساختار میدان الکترومغناطیسی امواج ایستاده در یک تشدید کننده می تواند بسیار متنوع باشد. تنظیمات خاص آن معمولا حالت نامیده می شود. نوسانات با فرکانس های مختلف اما توزیع میدان یکسان در جهت عرضی حالت های طولی (یا محوری) نامیده می شوند. آنها با امواجی همراه هستند که دقیقاً در امتداد محور تشدید کننده منتشر می شوند. نوساناتی که در توزیع میدان در جهت عرضی به ترتیب در حالت های عرضی (یا غیر محوری) با یکدیگر تفاوت دارند. آنها با امواجی همراه هستند که در زوایای کوچک مختلف نسبت به محور منتشر می شوند و به ترتیب دارای یک جزء عرضی بردار موج هستند. از مخفف زیر برای نشان دادن حالت های مختلف استفاده می شود: TEMmn. در این نماد، m و n شاخص هایی هستند که تناوب تغییر میدان را بر روی آینه ها در امتداد مختصات مختلف در جهت عرضی نشان می دهند. اگر تنها حالت اساسی (پایین ترین) در حین کار لیزر ایجاد شود، ما از حالت عملکرد تک حالته صحبت می کنیم. هنگامی که چندین حالت عرضی وجود دارد، حالت چند حالته نامیده می شود. هنگام کار در حالت تک حالته، تولید در چندین فرکانس با تعداد حالت های طولی مختلف امکان پذیر است. اگر لیزر تنها در یک حالت طولی رخ دهد، ما از حالت تک فرکانس صحبت می کنیم.

شکل 1 - نمودار لیزر گاز.

از عناوین زیر در شکل استفاده شده است:

1. آینه های تشدید کننده نوری؛
2. پنجره های تشدید کننده نوری؛
3. الکترودها؛
4. لوله تخلیه گاز.

2 طراحی و اصل عملکرد لیزر CO 2

دستگاه لیزر CO 2 به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 - اصل لیزر CO2.

یکی از رایج ترین انواع لیزرهای CO 2، لیزرهای دینامیک گاز است. در آنها، جمعیت معکوس مورد نیاز برای تابش لیزر به دلیل این واقعیت است که گاز تا 1500 کلوین در فشار 20-30 اتمسفر از قبل گرم می شود. ، وارد محفظه کار می شود و در آنجا منبسط می شود و دما و فشار آن به شدت کاهش می یابد. چنین لیزرهایی می توانند تشعشعات پیوسته ای با توان تا 100 کیلو وات تولید کنند.

برای ایجاد محیط فعال (همانطور که می گویند، "پمپاژ") لیزرهای CO 2، اغلب از تخلیه تابش جریان مستقیم استفاده می شود. اخیراً تخلیه با فرکانس بالا به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار گرفته است. اما این یک موضوع جداگانه است. تخلیه با فرکانس بالا و مهمترین کاربردهایی که در زمان ما (نه تنها در فناوری لیزر) پیدا کرده است موضوع مقاله ای جداگانه است. در مورد اصول کلی عملکرد لیزرهای CO 2 تخلیه الکتریکی، مشکلات پیش آمده در این مورد و برخی از طراحی های مبتنی بر استفاده از تخلیه جریان مستقیم.

در همان ابتدای دهه 70، در طول توسعه لیزرهای پرقدرت CO 2، مشخص شد که تخلیه با ویژگی ها و ناپایداری هایی که تاکنون ناشناخته بود مشخص شد که برای لیزرها مخرب بود. آنها موانع تقریباً غیرقابل عبوری را برای تلاش برای پر کردن حجم زیاد با پلاسما در فشار بالا ایجاد می کنند، که دقیقاً همان چیزی است که برای بدست آوردن قدرت لیزر بالا لازم است. شاید هیچ یک از مشکلات ماهیت کاربردی در دهه های اخیر به اندازه مشکل ایجاد لیزرهای CO 2 موج پیوسته پرقدرت به پیشرفت علم تخلیه الکتریکی در گازها کمک نکرده باشد.

بیایید اصل عملکرد یک لیزر CO 2 را در نظر بگیریم.

محیط فعال تقریباً هر لیزری ماده‌ای است که در آن یک جمعیت معکوس می‌تواند در مولکول‌ها یا اتم‌های خاصی در یک جفت سطح معین ایجاد شود. این بدان معناست که تعداد مولکول‌ها در حالت کوانتومی بالایی، مربوط به انتقال لیزر تابشی، از تعداد مولکول‌های موجود در حالت پایین‌تر بیشتر است. برخلاف وضعیت معمول، پرتوی از نور که از چنین محیطی عبور می کند جذب نمی شود، بلکه تقویت می شود که امکان تولید تابش را باز می کند.

آیا میدانستید، آزمایش فکری، آزمایش گدانکن چیست؟
این یک عمل غیرموجود، یک تجربه ی ماورایی، تخیل چیزی است که در واقع وجود ندارد. آزمایش های فکری مانند رویاهای بیداری هستند. آنها هیولا به دنیا می آورند. برخلاف آزمایش فیزیکی، که یک آزمون آزمایشی فرضیه‌ها است، یک «آزمایش فکری» به طور جادویی آزمایش تجربی را با نتایج دلخواه جایگزین می‌کند که در عمل آزمایش نشده‌اند، و ساختارهای منطقی را که در واقع خود منطق را نقض می‌کنند با استفاده از مقدمات اثبات‌شده به‌عنوان موارد اثبات‌شده، دستکاری می‌کند. است، با جایگزینی. بنابراین، وظیفه اصلی متقاضیان "آزمایش های فکری" فریب شنونده یا خواننده با جایگزینی یک آزمایش فیزیکی واقعی با "عروسک" آن است - استدلال ساختگی در آزادی مشروط بدون تأیید فیزیکی خود.
پر کردن فیزیک با "آزمایش های فکری" خیالی منجر به ظهور تصویری پوچ، سورئال و گیج کننده از جهان شده است. یک محقق واقعی باید چنین "نبات های بسته بندی" را از ارزش های واقعی تشخیص دهد.

نسبیت‌گرایان و پوزیتیویست‌ها استدلال می‌کنند که «آزمایش‌های فکری» ابزار بسیار مفیدی برای آزمایش تئوری‌ها (همچنین در ذهن ما) برای سازگاری است. در این کار آنها مردم را فریب می دهند، زیرا هر تأییدی فقط می تواند توسط منبعی مستقل از هدف تأیید انجام شود. خود متقاضی فرضیه نمی تواند آزمونی برای بیان خود باشد، زیرا دلیل این اظهارات خود عدم وجود تناقض در بیانیه قابل مشاهده برای متقاضی است.

این را در مثال SRT و GTR می بینیم که به نوعی دین کنترل کننده علم و افکار عمومی تبدیل شده اند. هیچ مقدار واقعیتی که با آنها در تضاد باشد نمی تواند بر فرمول انیشتین غلبه کند: "اگر واقعیتی با نظریه مطابقت ندارد، واقعیت را تغییر دهید" (در نسخه دیگری، "آیا واقعیت با نظریه مطابقت ندارد؟ - برای واقعیت خیلی بدتر است. ”).

حداکثر چیزی که یک «آزمایش فکری» می تواند ادعا کند، فقط سازگاری درونی فرضیه در چارچوب منطق خود متقاضی است که اغلب به هیچ وجه درست نیست. این انطباق با عمل را بررسی نمی کند. راستی‌آزمایی واقعی فقط می‌تواند در یک آزمایش فیزیکی واقعی انجام شود.

آزمایش یک آزمایش است زیرا پالایش فکر نیست، بلکه آزمایش فکر است. فکری که خودسازگار است نمی تواند خود را تأیید کند. این را کورت گودل ثابت کرد.