Laser à injection de semi-conducteur. Cours laser à semi-conducteur Calcul et conception d'un laser à semi-conducteur

Lasers à injection de semi-conducteurs, tout comme un autre type de radiateurs à semi-conducteurs - leds, sont l'élément le plus important de tout système optoélectronique. Le fonctionnement des deux appareils est basé sur le phénomène électroluminescence. En ce qui concerne les émetteurs à semi-conducteurs ci-dessus, le mécanisme d'électroluminescence est réalisé par recombinaison radiative porteurs de charge hors d'équilibre injectés à travers transition p-n.

Les premières LED sont apparues au tournant des années 50 et 60 du XXe siècle, et déjà en 1961 N. G. Basov, ON Krokhin et Yu.M. Popov ont proposé d'utiliser l'injection dans des jonctions p-n dégénérées pour obtenir un effet laser. En 1962, des physiciens américains Salle R. et collaborateurs a réussi à enregistrer le rétrécissement de la raie spectrale de la LED à semi-conducteur, qui a été interprété comme une manifestation de l'effet laser ("superradiance"). En 1970, des physiciens russes - Zh.I. Alférov avec des collaborateurs sont devenus les premiers lasers à hétérostructure. Cela a permis de rendre les appareils adaptés à la production en série de masse, qui a reçu le prix Nobel de physique en 2000. À l'heure actuelle, les lasers à semi-conducteurs sont les plus largement utilisés, principalement dans les dispositifs d'écriture et de lecture d'informations à partir de CD informatiques, audio et vidéo. Les principaux avantages des lasers à semi-conducteurs sont :

1. rentabilité, assuré par une efficacité élevée de la conversion de l'énergie de la pompe en énergie de rayonnement cohérente ;

2. petite inertie, du fait des temps caractéristiques courts d'établissement du mode de génération (~ 10 -10 s) ;

3. compacité, associé à la propriété des semi-conducteurs de fournir un gain optique énorme ;

4. appareil simple, alimentation basse tension, compatibilité avec les circuits intégrés ("puces");

5. Opportunité réglage en douceur de la longueur d'onde dans une large gamme en raison de la dépendance des propriétés optiques des semi-conducteurs à la température, à la pression, etc.

Caractéristique principale lasers à semi-conducteurs est l'utilisation en eux transitions optiques impliquant des niveaux d'énergie (états d'énergie) principales zones d'énergie électronique cristal. C'est la différence entre les lasers à semi-conducteurs et, par exemple, les lasers à rubis, qui utilisent des transitions optiques entre les niveaux d'impuretés de l'ion chrome Cr 3+ dans Al 2 O 3 . Les composés semi-conducteurs A III B V se sont avérés être les plus appropriés pour une utilisation dans les lasers à semi-conducteurs (voir Introduction). C'est sur la base de ces composés et de leur solutions solides la plupart des lasers à semi-conducteurs sont fabriqués par l'industrie. Dans de nombreux matériaux semi-conducteurs de cette classe, la recombinaison des porteurs de courant en excès est réalisée par direct transitions optiques entre les états remplis près du bas de la bande de conduction et les états libres près du haut de la bande de valence (Fig. 1). Forte probabilité de transitions optiques dans écart direct semi-conducteurs et une forte densité d'états dans les bandes permettent d'obtenir gain optique élevé dans un semi-conducteur.

Fig. 1. Emission de photons lors d'une recombinaison radiative dans un semi-conducteur à gap direct à population inverse.

Considérons les principes de base du fonctionnement d'un laser à semi-conducteur. Si un cristal semi-conducteur est dans un état équilibre thermodynamique avec l'environnement, alors il est seulement capable de absorber rayonnement qui tombe dessus. Intensité de la lumière qui a parcouru une distance dans un cristal X, est donnée par la relation connue Booger-Lambert

Ici R- coefficient de réflexion de la lumière ;

α - coefficient d'absorption lumineuse.

Éclairer intensifié traversant le cristal, et non affaibli, il faut que le coefficient α était inférieur à zéro, ce qui environnement d'équilibre thermodynamique est impossible. Le fonctionnement de tout laser (gaz, liquide, solide) nécessite que l'environnement de travail du laser soit dans l'état population inverse - un tel état dans lequel le nombre d'électrons à des niveaux d'énergie élevés serait supérieur à celui à des niveaux inférieurs (un tel état est également appelé "l'état à température négative"). Obtenons une relation décrivant l'état à population inverse dans les semi-conducteurs.

Laisser ε 1 Et ε 2 – couplé optiquement entre eux niveaux d'énergie, dont le premier est dans la valence, et le second - dans la bande de conduction du semi-conducteur (Fig. 2). Le terme "couplé optiquement" signifie que les transitions d'électrons entre eux sont autorisées par les règles de sélection. Absorber un quantum de lumière avec de l'énergie hv 12, l'électron se déplace du niveau ε 1 au niveau ε 2. La vitesse d'une telle transition sera proportionnelle à la probabilité de peupler le premier niveau F 1 , les probabilités que le second niveau soit vide : (1- F 2), et la densité de flux de photons P(hν 12)

La transition inverse - du niveau supérieur au niveau inférieur, peut se produire de deux manières - en raison de spontané Et forcé recombinaison. Dans le second cas, l'interaction d'un quantum de lumière avec un électron situé au niveau ε 2 « force » l'électron à se recombiner avec émission quantique de lumière identique celui qui a provoqué le processus de recombinaison forcée. Ce. dans le système, il y a une amplification de la lumière, qui est l'essence même du fonctionnement du laser. Les taux de recombinaison spontanée et forcée s'écriront :

(3)

En état d'équilibre thermodynamique

. (5)

En utilisant la condition 5, on peut montrer que les coefficients À 12, À 21 ans Et Un 21(« coefficients d'Einstein ») sont interconnectés, à savoir :

, (6)

Où n- indice de réfraction du semi-conducteur ; Avec est la vitesse de la lumière.

Dans ce qui suit, cependant, nous ne prendrons pas en compte la recombinaison spontanée, puisque Le taux de recombinaison spontanée ne dépend pas de la densité de flux de photons dans le milieu laser de travail, et le taux de recombinaison stimulée sera à de grandes valeurs Р(hν 12) dépassent de manière significative le taux de recombinaison spontanée. Pour que la lumière soit amplifiée, le taux de transitions forcées "de haut en bas" doit dépasser le taux de transitions "de bas en haut":

Après avoir noté les probabilités de peuplement des niveaux d'énergie par les électrons ε 1 Et ε 2 comme

, (8)

on obtient la condition de population inverse dans les semi-conducteurs

parce que distance minimale entre les niveaux ε 1 Et ε 2 juste égal à la bande interdite du semi-conducteur ε g . Ce rapport est connu sous le nom de Rapport Bernard-Durafour.

La formule 9 comprend les valeurs de la soi-disant. niveaux quasi-Fermi- Niveaux de Fermi séparément pour la bande de conduction FC et bande de valence FV. Une telle situation n'est possible que pour un non-équilibre, ou plutôt pour quasi-équilibre systèmes. Pour la formation de niveaux de Fermi dans les deux bandes autorisées (niveaux séparant les états remplis d'électrons et vides (voir Introduction)), il faut que temps de relaxation du pouls les électrons et les trous étaient de plusieurs ordres de grandeur moins de durée de vie transporteurs de franchise :

Par conséquent hors d'équilibre en général, un gaz électron-trou peut être considéré comme une combinaison équilibre électronique gaz dans la bande de conduction et trou d'équilibre gaz dans la bande de valence (Fig. 2).

Fig.2. Diagramme d'énergie d'un semi-conducteur à population de niveau inverse. Les états remplis d'électrons sont grisés.

La procédure de création d'une population inverse dans le milieu de travail d'un laser (dans notre cas, dans un cristal semi-conducteur) est appelée pompage. Les lasers à semi-conducteurs peuvent être pompés de l'extérieur par la lumière, un faisceau d'électrons rapides, un champ radiofréquence puissant ou une ionisation par impact dans le semi-conducteur lui-même. Mais le plus simple, économique et, du fait que le plus commun la méthode de pompage des lasers à semi-conducteur est injection porteurs de charge dans une jonction p-n dégénérée(voir le manuel « Physique des dispositifs à semi-conducteurs » ; diode tunnel). Le principe d'un tel pompage ressort clairement de la Fig. 3, qui montre diagramme énergétique une telle transition dans un état d'équilibre thermodynamique et à grand déplacement vers l'avant. On peut voir que dans la région d, directement adjacente à la jonction p-n, une population inverse est réalisée - la distance d'énergie entre les niveaux quasi-Fermi est supérieure à la bande interdite.

Fig.3. Une jonction pn dégénérée en équilibre thermodynamique (à gauche) et avec une forte polarisation vers l'avant (à droite).

Cependant, créer une population inverse dans un environnement de travail est nécessaire, mais aussi pas une condition suffisante pour générer un rayonnement laser. Dans tout laser, et dans un laser à semi-conducteur en particulier, une partie de la puissance de pompe fournie au dispositif sera inutilement perdue. Et seulement lorsque la puissance de la pompe dépasse une certaine valeur - seuil de génération, le laser commence à fonctionner comme un amplificateur de lumière quantique. Lorsque le seuil de génération est dépassé :

· UN) augmente fortement intensité du rayonnement émis par l'appareil (Fig. 4a) ;

b) se rétrécit spectral doubler rayonnement (Fig. 4b);

c) le rayonnement devient cohérent et concentré.

Fig.4. L'augmentation de l'intensité (à gauche) et le rétrécissement de la raie spectrale de rayonnement (à droite) d'un laser à semi-conducteur lorsque le courant dépasse la valeur seuil.

Pour atteindre les conditions de seuil de génération, le milieu de travail laser est généralement placé dans résonateur optique. Ce augmente la longueur du chemin optique faisceau lumineux dans l'environnement de travail, facilite l'atteinte du seuil de génération, contribue à une meilleure focalisation du faisceau, etc. Parmi la variété des types de cavités optiques dans les lasers à semi-conducteurs, la plus simple Résonateur Fabry-Pérot- deux miroirs plans parallèles perpendiculaires à la jonction p-n. De plus, les bords polis du cristal semi-conducteur lui-même sont utilisés comme miroirs.

Considérons le passage d'une onde électromagnétique à travers un tel résonateur. Prenons la transmittance et le coefficient de réflexion du miroir gauche du résonateur comme t1 Et r1, droite (à travers laquelle le rayonnement sort) - derrière t2 Et r2; longueur du résonateur - L. Soit une onde électromagnétique tomber sur le côté gauche du cristal de l'extérieur, dont nous écrivons l'équation sous la forme :

. (11)

Après avoir traversé le miroir gauche, le cristal et le miroir droit, une partie du rayonnement traversera la face droite du cristal, et une partie sera réfléchie et ira à nouveau vers la face gauche (Fig. 5).

Fig.5. Onde électromagnétique dans un résonateur Fabry-Perot.

Le trajet ultérieur du faisceau dans le résonateur, les amplitudes des faisceaux sortant et réfléchi ressortent clairement de la figure. Résumons les amplitudes de toutes les ondes électromagnétiques émises par le côté droit du cristal:

= (12).

Exigons que la somme des amplitudes de toutes les ondes émergeant par la face droite ne soit pas égale à zéro même pour une amplitude d'onde extrêmement petite sur la face gauche du cristal. Évidemment, cela ne peut se produire que lorsque le dénominateur de la fraction dans (12) tend vers zéro. De là, nous obtenons:

, (13)

et compte tenu du fait que l'intensité lumineuse , c'est-à-dire ; , Où R 1 , R 2 - coefficients de réflexion des miroirs - faces cristallines "par intensité", et, de plus, , enfin, nous écrivons le rapport pour le seuil de génération comme suit :

. (14)

Il résulte de (11) que le facteur 2r inclus dans l'exposant est lié à l'indice de réfraction complexe du cristal :

Sur le côté droit de (15), le premier terme détermine la phase de l'onde lumineuse, et le second détermine l'amplitude. Dans un milieu ordinaire, en équilibre thermodynamique, la lumière est atténuée (absorbée); dans le milieu de travail actif d'un laser, le même rapport doit être écrit sous la forme , Où g - gain de lumière, et le symbole un je marqué toutes les pertesénergie de pompe, pas nécessairement uniquement de nature optique. Alors condition de seuil d'amplitude réécrit comme suit :

ou . (16)

Ainsi, nous avons défini nécessaire(9) et suffisant(16) conditions de génération d'un laser à semi-conducteur. Dès que la valeur gagner dépassera pertes par la valeur déterminée par le premier terme de (16), l'amplification lumineuse commencera dans le milieu de travail avec la population inverse des niveaux. La valeur même du gain dépendra de la puissance de la pompe ou, ce qui est le cas pour les lasers à injection, de la valeur courant de fonctionnement. Dans la zone de travail normale des lasers à semi-conducteurs et dépend linéairement de l'amplitude du courant de fonctionnement

. (17)

De (16) et (17) pour courant de seuil on a:

, (18)

où à travers je 0 est désigné par le soi-disant. "Seuil d'inversion" - la valeur du courant de fonctionnement à laquelle la population inverse dans le semi-conducteur est atteinte. Parce que habituellement, le premier terme de (18) peut être négligé.

Facteur de proportionnalité β pour un laser utilisant une jonction p-n conventionnelle et fabriqué, par exemple, à partir de GaAs, peut être calculé par la formule

, (19)

Où E et Δ E- position et demi-largeur de la raie spectrale du rayonnement laser.

Le calcul selon la formule 18 donne à température ambiante T=300 K pour un tel laser des valeurs très élevées de la densité de courant de seuil 5 . 10 4 A/cm 2 , c'est-à-dire de tels lasers peuvent fonctionner soit avec un bon refroidissement, soit avec des impulsions courtes. Par conséquent, comme indiqué ci-dessus, seule la création en 1970 par le groupe de Zh.I. Alferov lasers à hétérojonction autorisé réduire de 2 ordres de grandeur courants de seuil des lasers à semi-conducteurs, ce qui a finalement conduit à l'application massive de ces dispositifs en électronique.

Pour comprendre comment cela a été réalisé, regardons de plus près. structure des pertes dans les lasers à semi-conducteurs. à non spécifique commun à tous les lasers, et en principe pertes mortelles les pertes doivent être attribuées à transitions spontanées et les pertes sur thermalisation.

Transitions spontanées du niveau supérieur vers le niveau inférieur seront toujours présents, et puisque les quanta de lumière émis dans ce cas auront une distribution aléatoire en phase et en direction de propagation (il n'y aura pas cohérent), alors la dépense d'énergie de pompe pour la génération de paires électron-trou à recombinaison spontanée devrait être attribuée aux pertes.

Avec n'importe quelle méthode de pompage, des électrons seront projetés dans la bande de conduction du semi-conducteur, avec une énergie supérieure à l'énergie du niveau quasi-Fermi FC. Ces électrons, perdant de l'énergie lors de collisions avec des défauts de réseau, descendent rapidement au niveau quasi-Fermi - un processus appelé thermalisation. L'énergie perdue par les électrons lors de leur diffusion sur les défauts du réseau est la perte de thermalisation.

POUR partiellement démontable les pertes peuvent être attribuées à recombinaison non radiative. Dans les semi-conducteurs à gap direct, les niveaux d'impuretés profonds sont généralement responsables de la recombinaison non radiative (voir "Effet photoélectrique dans les semi-conducteurs homogènes"). Un nettoyage minutieux du cristal semi-conducteur des impuretés qui forment de tels niveaux réduit la probabilité de recombinaison non radiative.

Et enfin, les pertes absorption non résonnante et sur courants de fuite peut être considérablement réduit en utilisant pour la fabrication de lasers hétérostructures.

Contrairement aux jonctions p-n conventionnelles, où des semi-conducteurs identiques sont situés à droite et à gauche du point de contact, ne différant que par la composition des impuretés et le type de conductivité, dans les hétérostructures des deux côtés du contact, il existe des semi-conducteurs de composition chimique différente. Ces semi-conducteurs ont des bandes interdites différentes, de sorte qu'au point de contact, il y aura un "saut" dans l'énergie potentielle d'un électron (type "crochet" ou type "paroi" (Fig. 6)).

Fig.6. Un laser à injection basé sur une hétérostructure à deux faces en état d'équilibre thermodynamique (à gauche) et en mode de fonctionnement (à droite).

Selon le type de conductivité du semi-conducteur, les hétérostructures peuvent être isotype(hétérostructures p-P; n-N) et anisotype(hétérostructures p-N; n-P). Les lettres majuscules dans les hétérostructures désignent généralement un semi-conducteur avec une bande interdite plus grande. Loin de tous les semi-conducteurs sont capables de former des hétérostructures de haute qualité adaptées à la création d'appareils électroniques sur leur base. Pour que l'interface contienne le moins de défauts possible, les composants de l'hétérostructure doivent avoir la même structure cristalline et très valeurs proches constante de réseau. Parmi les semi-conducteurs du groupe A III B V, seuls deux couples de composés répondent à cette exigence : GaAs-AlAs et GaSb-AlSb et leurs solutions solides(voir Introduction), c'est-à-dire GaAs-Ga x Al 1- x As ; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. En compliquant la composition des semi-conducteurs, il est possible de sélectionner d'autres couples adaptés à la création d'hétérostructures, par exemple, InP-In x Ga 1- x As y P 1- y ; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y . Les lasers à injection sont également réalisés à partir d'hétérostructures à base de composés semi-conducteurs A IV B VI, tels que PbTe-Pb x Sn 1- x Te ; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - ces lasers émettent dans la région infrarouge lointain du spectre.

Perte sur courants de fuite dans les hétérolasers, il peut être presque complètement éliminé en raison de la différence des bandes interdites des semi-conducteurs qui forment l'hétérostructure. En effet (Fig. 3), la largeur de la région d près de la jonction p-n habituelle, où la condition de population inverse est satisfaite, n'est que de 1 μm, tandis que les porteurs de charge injectés à travers la jonction se recombinent dans une région beaucoup plus grande L n + L p de largeur 10 μm . La recombinaison des porteurs dans cette région ne contribue pas à un rayonnement cohérent. DANS bilatéral Région d'hétérostructure N-p-P (Fig. 6) avec population inverse coïncide avec l'épaisseur de couche du semi-conducteur à gap étroit au centre de l'hétérolaser. Presque toutesélectrons et trous injectés dans cette région à partir de semi-conducteurs à large gap et s'y recombiner. Les barrières de potentiel à l'interface entre les semi-conducteurs à large gap et à gap étroit ne permettent pas aux porteurs de charge de "se propager", ce qui augmente considérablement l'efficacité d'une telle structure par rapport à une jonction p-n conventionnelle (Fig. 3).

Dans une couche d'un semi-conducteur à écart étroit, non seulement les électrons et les trous hors d'équilibre seront concentrés, mais aussi la plupart des rayonnements. La raison de ce phénomène est que les semi-conducteurs qui composent l'hétérostructure diffèrent par l'indice de réfraction. En règle générale, l'indice de réfraction est plus élevé pour un semi-conducteur à gap étroit. Par conséquent, tous les rayons ayant un angle d'incidence sur la frontière de deux semi-conducteurs

, (20)

va subir réflexion interne totale. Par conséquent, le rayonnement sera "verrouillé" dans la couche active (Fig. 7), ce qui réduira considérablement les pertes sur absorption non résonnante(il s'agit généralement de ce que l'on appelle "l'absorption par les porteurs de charge gratuits").

Fig.7. Limitation optique de la propagation de la lumière dans une hétérostructure. A un angle d'incidence supérieur à θ, la réflexion interne totale se produit à partir de l'interface entre les semi-conducteurs qui composent l'hétérostructure.

L'ensemble de ce qui précède permet d'obtenir en hétérolasers amplification optique géante avec des dimensions microscopiques de la région active : épaisseur de la couche active, longueur du résonateur . Les hétérolasers fonctionnent à température ambiante dans mode continu, et caractéristique densité de courant de fonctionnement ne pas dépasser 500 A/cm 2 . Spectre de rayonnement la plupart des lasers disponibles dans le commerce dans lesquels l'environnement de travail est arséniure de gallium, représente une raie étroite avec un maximum dans la région proche infrarouge du spectre , bien que des lasers à semi-conducteurs aient été développés qui émettent un rayonnement visible et des lasers qui émettent dans la région de l'infrarouge lointain avec .

Envoyer votre bon travail dans la base de connaissances est simple. Utilisez le formulaire ci-dessous

Les étudiants, les étudiants diplômés, les jeunes scientifiques qui utilisent la base de connaissances dans leurs études et leur travail vous en seront très reconnaissants.

Documents similaires

Propagation d'une impulsion d'énergie électromagnétique le long d'un guide de lumière. Dispersion intermode dans les fibres multimodes. Détermination de la dispersion intramode. Dispersion du matériau et du guide d'onde dans une fibre optique monomode. Longueur d'onde à dispersion nulle.

test, ajouté le 18/05/2011


Mécanisme de pompage par injection. L'amplitude de la tension de polarisation. Caractéristiques de base des lasers à semi-conducteurs et de leur groupe. Spectre d'émission typique d'un laser à semi-conducteur. Courants de seuil. Puissance de rayonnement laser en mode pulsé.

présentation, ajouté le 19/02/2014


Calcul de la longueur de la section de régénération d'un système à fibre optique (FOCL) pour la transmission d'informations en fonction des paramètres donnés du potentiel énergétique du système et de la dispersion dans les fibres optiques. Évaluation de la vitesse de FOCL. Définition de la bande passante.

test, ajouté le 29/05/2014


Amplificateurs de signaux optiques Erbium. Paramètres des amplificateurs à fibre. Puissance de sortie du signal et efficacité énergétique de la pompe. Gagnez en largeur de bande et en uniformité. Laser à pompe à semi-conducteur "LATUS-K". La conception de la pompe laser.

thèse, ajoutée le 24/12/2015


Étapes de développement et perspectives de mise en œuvre d'un projet de création d'un complexe laser économique basé sur un laser à semi-conducteur conçu pour le traitement de matériaux organiques. Etude des principaux paramètres et caractéristiques du photodétecteur.

dissertation, ajouté le 15/07/2015


Calcul d'une structure laser à semi-conducteur à base de composés des troisième et cinquième groupes pour les lignes de communication à fibre optique de la génération III. Choix de la structure cristalline. Calcul des paramètres, résonateur ROS, rendement quantique interne, limitation optique.

dissertation, ajouté le 05/11/2015


Pose d'un câble à fibre optique utilisant un équipement de hiérarchie numérique synchrone (SDH) SDH, au lieu du système compact K-60p, sur la section Dzhetygara - Komsomolets. Calcul des niveaux de rayonnement maximaux admissibles d'un laser à semi-conducteur.

thèse, ajoutée le 11/06/2014


L'incidence d'une onde plane sur l'interface entre deux milieux, le rapport des résistances d'onde et des composantes de champ. Propagation des ondes polarisées dans une fibre métallique, calcul de leur profondeur de pénétration. Détermination du champ à l'intérieur d'une fibre diélectrique.

dissertation, ajouté le 06/07/2011

Introduction

L'une des réalisations les plus remarquables de la physique de la seconde moitié du XXe siècle a été la découverte de phénomènes physiques qui ont servi de base à la création d'un dispositif étonnant, le générateur quantique optique, ou laser.

Le laser est une source de lumière cohérente monochromatique avec un faisceau lumineux hautement directif.

Les générateurs quantiques sont une classe spéciale d'appareils électroniques qui intègrent les dernières réalisations dans divers domaines de la science et de la technologie.

Les lasers à gaz sont des lasers dans lesquels le milieu actif est un gaz, un mélange de plusieurs gaz ou un mélange de gaz avec de la vapeur métallique.

Les lasers à gaz sont le type de laser le plus largement utilisé aujourd'hui. Parmi les différents types de lasers à gaz, on peut toujours trouver un laser qui satisfera à presque toutes les exigences d'un laser, à l'exception d'une puissance très élevée dans la région visible du spectre en mode pulsé.

Des puissances élevées sont nécessaires pour de nombreuses expériences d'étude des propriétés optiques non linéaires des matériaux. À l'heure actuelle, des puissances élevées dans les lasers à gaz n'ont pas été obtenues car la densité d'atomes qu'ils contiennent n'est pas suffisamment élevée. Cependant, pour presque toutes les autres utilisations, un type spécifique de laser à gaz peut être trouvé qui surpassera à la fois les lasers à semi-conducteurs à pompage optique et les lasers à semi-conducteurs.

Un grand groupe de lasers à gaz sont des lasers à décharge gazeuse, dans lesquels le milieu actif est un gaz raréfié (pression 1–10 mm Hg), et le pompage est effectué par une décharge électrique, qui peut être incandescente ou arc, et est créé en courant continu ou en courant alternatif haute fréquence (10 –50 MHz).

Il existe plusieurs types de lasers à décharge gazeuse. Dans les lasers à ions, le rayonnement est obtenu en raison des transitions d'électrons entre les niveaux d'énergie des ions. Un exemple est le laser à argon, qui utilise une décharge d'arc CC.

Les lasers basés sur les transitions atomiques sont générés en raison des transitions d'électrons entre les niveaux d'énergie des atomes. Ces lasers produisent un rayonnement d'une longueur d'onde de 0,4 à 100 µm. Un exemple est un laser hélium-néon fonctionnant sur un mélange d'hélium et de néon à une pression d'environ 1 mmHg. Art. Pour le pompage, une décharge luminescente est utilisée, créée par une tension constante d'environ 1000 V.

Les lasers moléculaires appartiennent également aux lasers à décharge gazeuse, dans lesquels le rayonnement provient des transitions d'électrons entre les niveaux d'énergie des molécules. Ces lasers ont une large gamme de fréquences, correspondant à des longueurs d'onde de 0,2 à 50 µm.

Le plus courant des lasers moléculaires au dioxyde de carbone (laser CO 2 ). Il peut fournir une puissance allant jusqu'à 10 kW et a un rendement assez élevé - environ 40 %. L'azote, l'hélium et d'autres gaz sont généralement ajoutés au dioxyde de carbone principal. Pour le pompage, une décharge luminescente de courant continu ou haute fréquence est utilisée. Un laser à dioxyde de carbone produit un rayonnement d'une longueur d'onde d'environ 10 microns.

La conception des générateurs quantiques est très laborieuse en raison de la grande variété de processus qui déterminent leurs performances, mais malgré cela, les lasers à gaz carbonique sont utilisés dans de nombreux domaines.

Sur la base de lasers CO 2 , des systèmes de guidage laser, des systèmes de localisation pour la surveillance de l'environnement (lidars), des installations technologiques pour le soudage au laser, la découpe de métaux et de matériaux diélectriques, des installations pour tracer des surfaces en verre et le durcissement superficiel de produits en acier ont été développés et exploité avec succès. En outre, les lasers CO2 sont largement utilisés dans les systèmes de communication spatiale.

L'objectif principal de la discipline "dispositifs et dispositifs quantiques optoélectroniques" est d'étudier les fondements physiques, les dispositifs, les principes de fonctionnement, les caractéristiques et les paramètres des dispositifs et dispositifs les plus importants utilisés dans les systèmes de communication optique. Ceux-ci comprennent des générateurs et amplificateurs quantiques, des modulateurs optiques, des photodétecteurs, des éléments et dispositifs optiques non linéaires, des composants optiques holographiques et intégrés. Cela implique la pertinence du sujet de ce projet de cours.

L'objectif de ce projet de cours est de décrire les lasers à gaz et de calculer le laser hélium-néon.

Conformément à l'objectif, les tâches suivantes sont résolues :

Étudier le principe de fonctionnement d'un générateur quantique ;

Etude du dispositif et principe de fonctionnement d'un laser CO 2 ;

Étude de la documentation de sécurité lors du travail avec des lasers ;

Calcul du laser CO 2 .

1 Le principe de fonctionnement d'un générateur quantique

Le principe de fonctionnement des générateurs quantiques est basé sur l'amplification des ondes électromagnétiques en utilisant l'effet du rayonnement stimulé (induit). L'amplification est fournie en raison de la libération d'énergie interne lors des transitions d'atomes, de molécules et d'ions stimulés par un rayonnement externe d'un niveau d'énergie supérieur excité à un niveau inférieur (situé ci-dessous). Ces transitions forcées sont causées par des photons. L'énergie des photons peut être calculée par la formule :

hν \u003d E 2 - E 1,

où E2 et E1 sont les énergies des niveaux supérieur et inférieur ;

h = 6,626∙10-34 J∙s - constante de Planck ;

ν = c/λ est la fréquence de rayonnement, c est la vitesse de la lumière, λ est la longueur d'onde.

L'excitation, ou, comme on l'appelle communément, le pompage, s'effectue soit directement à partir d'une source d'énergie électrique, soit en raison du flux de rayonnement optique, d'une réaction chimique ou de plusieurs autres sources d'énergie.

Dans des conditions d'équilibre thermodynamique, la distribution d'énergie des particules est uniquement déterminée par la température du corps et est décrite par la loi de Boltzmann, selon laquelle plus le niveau d'énergie est élevé, plus la concentration de particules est faible dans un état donné, dans d'autres mots, plus sa population est faible.

Sous l'influence du pompage, qui viole l'équilibre thermodynamique, la situation inverse peut se produire, lorsque la population du niveau supérieur dépasse la population du niveau inférieur. Il se produit un état appelé inversion de population. Dans ce cas, le nombre de transitions forcées du niveau d'énergie supérieur au niveau inférieur, dans lequel se produit le rayonnement induit, dépassera le nombre de transitions inverses, accompagnées d'une absorption du rayonnement initial. Étant donné que la direction de propagation, la phase et la polarisation du rayonnement induit coïncident avec la direction, la phase et la polarisation du rayonnement agissant, l'effet de son amplification se produit.

Un milieu dans lequel une amplification du rayonnement due aux transitions induites est possible est appelé milieu actif. Le paramètre principal qui caractérise ses propriétés amplificatrices est le coefficient ou facteur d'amplification kν - le paramètre qui détermine la variation du flux de rayonnement à la fréquence ν par unité de longueur de l'espace d'interaction.

Les propriétés amplificatrices du milieu actif peuvent être considérablement améliorées en appliquant le principe de rétroaction positive connu en radiophysique, lorsqu'une partie du signal amplifié est renvoyé vers le milieu actif et réamplifié. Si, dans ce cas, le gain dépasse toutes les pertes, y compris celles qui sont utilisées comme signal utile (pertes utiles), un mode d'auto-génération se produit.

L'autogénération commence avec l'apparition de transitions spontanées et se développe jusqu'à un certain niveau stationnaire, déterminé par l'équilibre entre gain et perte.

En électronique quantique, pour créer une rétroaction positive à une longueur d'onde donnée, on utilise principalement des résonateurs ouverts - un système de deux miroirs, dont l'un (sourd) peut être complètement opaque, le second (sortie) est rendu translucide.

La région de génération laser correspond à la gamme optique des ondes électromagnétiques; par conséquent, les résonateurs laser sont également appelés résonateurs optiques.

Un schéma fonctionnel typique d'un laser avec les éléments ci-dessus est illustré à la figure 1.

Un élément structurel obligatoire d'un laser à gaz devrait être une coque (tube à décharge), dans le volume de laquelle se trouve un gaz d'une certaine composition à une pression donnée. Sur les faces d'extrémité, la coque est fermée par des fenêtres en matériau transparent au rayonnement laser. Cette partie fonctionnelle de l'appareil est appelée l'élément actif. Les fenêtres pour réduire les pertes de réflexion de leur surface sont réglées à l'angle de Brewster. Le rayonnement laser dans de tels dispositifs est toujours polarisé.

L'élément actif, ainsi que les miroirs résonateurs installés à l'extérieur de l'élément actif, est appelé l'émetteur. Une variante est possible lorsque les miroirs du résonateur sont fixés directement sur les extrémités de la coque de l'élément actif, assurant simultanément la fonction de fenêtres d'étanchéité du volume de gaz (laser à miroirs internes).

La dépendance en fréquence du gain du milieu actif (boucle de gain) est déterminée par la forme de la raie spectrale de la transition quantique de travail. La génération de laser ne se produit qu'à de telles fréquences dans ce circuit, auxquelles un nombre entier de demi-ondes s'insère dans l'espace entre les miroirs. Dans ce cas, en raison de l'interférence des ondes directes et inverses, des ondes dites stationnaires avec des nœuds d'énergie sur les miroirs se forment dans le résonateur.

La structure du champ électromagnétique des ondes stationnaires dans le résonateur peut être très diverse. Ses configurations spécifiques sont appelées mods. Les oscillations avec des fréquences différentes mais la même distribution de champ dans la direction transversale sont appelées modes longitudinaux (ou axiaux). Ils sont associés à des ondes se propageant strictement selon l'axe du résonateur. Oscillations qui diffèrent les unes des autres par la répartition du champ dans la direction transversale, respectivement - modes transversaux (ou non axiaux). Ils sont associés à des ondes se propageant selon divers petits angles par rapport à l'axe et ayant, respectivement, la composante transversale du vecteur d'onde. L'abréviation suivante est utilisée pour désigner les différents modes : TEMmn. Dans cette notation, m et n sont des indices montrant la périodicité du changement de champ sur les miroirs le long de différentes coordonnées dans la direction transversale. Si seul le mode fondamental (le plus bas) est généré pendant le fonctionnement du laser, on parle de fonctionnement monomode. S'il existe plusieurs modes transverses, le mode est dit multimode. Lors d'un fonctionnement en mode monomode, la génération est possible à plusieurs fréquences avec un nombre différent de modes longitudinaux. Si la génération n'a lieu que dans un mode longitudinal, on parle de mode monofréquence.

Figure 1 - Schéma d'un laser à gaz.

Les désignations suivantes sont utilisées dans la figure :

1. Miroirs du résonateur optique ;
2. Fenêtres de résonateur optique ;
3. électrodes;
4. Tube de décharge.

2 Conception et principe de fonctionnement d'un laser CO 2

Schématiquement, le dispositif laser CO 2 est illustré à la figure 2.

Figure 2 - Le principe du dispositif laser CO2.

L'un des types les plus courants de lasers à CO 2 sont les lasers à gaz dynamique. En eux, l'inversion de population nécessaire au rayonnement laser est obtenue du fait que le gaz est préchauffé à 1500 K à une pression de 20 à 30 atm. , pénètre dans la chambre de travail, où il se dilate, et sa température et sa pression sont fortement réduites. De tels lasers peuvent produire un rayonnement continu d'une puissance allant jusqu'à 100 kW.

Pour créer un milieu actif (comme on dit, "pomper") des lasers CO 2, une décharge luminescente CC est le plus souvent utilisée. Récemment, la décharge à haute fréquence a été de plus en plus utilisée. Mais c'est un sujet à part. La décharge à haute fréquence et les applications les plus importantes qu'elle a trouvées à notre époque (pas seulement dans la technologie laser) font l'objet d'un article séparé. Sur les principes généraux de fonctionnement des lasers à CO 2 à décharge électrique, les problèmes qui se posent dans ce cas, et certaines conceptions basées sur l'utilisation d'une décharge à courant continu.

Au tout début des années 1970, au cours du développement des lasers à CO 2 de forte puissance, il est apparu que la décharge se caractérisait par des caractéristiques et des instabilités inconnues jusqu'alors, préjudiciables aux lasers. Ils posent des obstacles quasi insurmontables aux tentatives de remplissage d'un grand volume de plasma à haute pression, ce qui est exactement ce qu'il faut pour obtenir des puissances laser élevées. Peut-être qu'aucun des problèmes de nature appliquée n'a autant servi les progrès de la science des décharges électriques dans les gaz au cours des dernières décennies que la tâche de créer des lasers CW CO 2 de haute puissance.

Considérez le principe de fonctionnement du laser CO 2 .

Le milieu actif de presque tous les lasers est une substance, dans certaines molécules ou atomes dont, dans une certaine paire de niveaux, une population inverse peut être créée. Cela signifie que le nombre de molécules dans l'état quantique supérieur correspondant à la transition laser radiative dépasse le nombre de molécules dans l'état inférieur. Contrairement à la situation habituelle, un faisceau lumineux traversant un tel milieu n'est pas absorbé, mais amplifié, ce qui ouvre la possibilité de générer un rayonnement.

Saviez-vous, qu'est-ce qu'une expérience de pensée, une expérience de gedanken ?
C'est une pratique inexistante, une expérience d'un autre monde, l'imagination de ce qui n'est pas vraiment là. Les expériences de pensée sont comme des rêveries. Ils donnent naissance à des monstres. Contrairement à une expérience physique, qui est un test expérimental d'hypothèses, une "expérience de pensée" remplace comme par magie un test expérimental par les conclusions souhaitées et non testées, manipulant des constructions logiques qui violent en fait la logique elle-même en utilisant des prémisses non prouvées comme des prémisses prouvées, c'est-à-dire en substitution. Ainsi, la tâche principale des candidats aux "expériences de pensée" est de tromper l'auditeur ou le lecteur en remplaçant une expérience physique réelle par sa "poupée" - raisonnement fictif sur parole sans vérification physique elle-même.
Remplir la physique d'"expériences de pensée" imaginaires a conduit à une image absurde, surréaliste et déroutante du monde. Un vrai chercheur doit distinguer ces "emballages" des vraies valeurs.

Les relativistes et les positivistes soutiennent que «l'expérience de pensée» est un outil très utile pour tester la cohérence des théories (qui surgissent également dans nos esprits). En cela, ils trompent les gens, puisque toute vérification ne peut être effectuée que par une source indépendante de l'objet de la vérification. Le demandeur de l'hypothèse lui-même ne peut pas être un test de sa propre déclaration, puisque la raison de cette déclaration elle-même est l'absence de contradictions visibles pour le demandeur dans la déclaration.

Nous le voyons dans l'exemple de SRT et GR, qui sont devenus une sorte de religion qui régit la science et l'opinion publique. Aucune quantité de faits qui les contredisent ne peut venir à bout de la formule d'Einstein : « Si le fait ne correspond pas à la théorie, changeons le fait » (Dans une autre version, « Le fait ne correspond-il pas à la théorie ? - Tant pis pour le fait ").

Le maximum qu'une "expérience de pensée" peut revendiquer n'est que la cohérence interne de l'hypothèse dans le cadre de la propre logique, souvent nullement vraie, du demandeur. Le respect de la pratique ne vérifie pas cela. Un véritable test ne peut avoir lieu que dans une véritable expérience physique.

Une expérience est une expérience, car ce n'est pas un raffinement de pensée, mais un test de pensée. La pensée qui est cohérente en elle-même ne peut pas se tester. Cela a été prouvé par Kurt Gödel.