Laser injeksi semikonduktor. Kursus laser semikonduktor Perhitungan dan desain laser semikonduktor

Laser injeksi semikonduktor, seperti jenis radiator solid-state lainnya - led, adalah elemen yang paling penting dari setiap sistem optoelektronik. Pengoperasian kedua perangkat didasarkan pada fenomena tersebut electroluminescence. Berkenaan dengan emitor semikonduktor di atas, mekanisme elektroluminesensi diwujudkan dengan rekombinasi radiatif pembawa muatan nonequilibrium disuntikkan melalui transisi p-n.

LED pertama muncul pada pergantian tahun 50-an dan 60-an abad kedua puluh, dan sudah pada tahun 1961 N.G. Basov, O.N. Krokhin dan Yu.M. Popov diusulkan untuk menggunakan injeksi di persimpangan p-n yang merosot untuk mendapatkan efek laser. Pada tahun 1962, fisikawan Amerika R.Hall dan kolaborator berhasil mendaftarkan penyempitan garis spektral LED semikonduktor, yang ditafsirkan sebagai manifestasi dari efek laser ("superradiance"). Pada tahun 1970, fisikawan Rusia - Zh.I. Alferov dengan kolaborator dijadikan yang pertama laser heterostruktur. Hal ini memungkinkan perangkat tersebut cocok untuk produksi serial massal, yang dianugerahi Penghargaan Nobel Fisika pada tahun 2000. Saat ini, laser semikonduktor paling banyak digunakan, terutama pada perangkat untuk menulis dan membaca informasi dari CD komputer, audio dan video. Keuntungan utama laser semikonduktor adalah:

1. profitabilitas, dipastikan dengan efisiensi tinggi konversi energi pompa menjadi energi radiasi yang koheren;

2. inersia kecil, karena waktu karakteristik pembentukan mode pembangkitan yang singkat (~ 10 -10 detik);

3. kekompakan, terkait dengan properti semikonduktor untuk memberikan penguatan optik yang luar biasa;

4. perangkat sederhana, catu daya tegangan rendah, kompatibilitas dengan sirkuit terintegrasi ("microchip");

5. Peluang penyetelan halus panjang gelombang dalam jangkauan luas karena ketergantungan sifat optik semikonduktor pada suhu, tekanan, dll.

Fitur utama laser semikonduktor adalah penggunaan di dalamnya transisi optik melibatkan tingkat energi (keadaan energi) zona energi elektronik utama kristal. Inilah perbedaan antara laser semikonduktor dan, misalnya, laser ruby ​​​​yang menggunakan transisi optik antara tingkat pengotor ion kromium Cr 3+ dalam Al 2 O 3 . Senyawa semikonduktor A III B V terbukti paling cocok untuk digunakan dalam laser semikonduktor (lihat Pendahuluan). Itu atas dasar senyawa ini dan mereka solusi padat sebagian besar laser semikonduktor diproduksi oleh industri. Dalam banyak bahan semikonduktor kelas ini, rekombinasi pembawa arus berlebih dilakukan oleh langsung transisi optik antara keadaan terisi di dekat bagian bawah pita konduksi dan keadaan bebas di dekat bagian atas pita valensi (Gbr. 1). Probabilitas tinggi transisi optik di kesenjangan langsung semikonduktor dan keadaan kepadatan tinggi di pita memungkinkan untuk diperoleh keuntungan optik yang tinggi dalam semikonduktor.

Gbr.1. Emisi foton selama rekombinasi radiatif dalam semikonduktor celah langsung dengan populasi terbalik.

Mari kita perhatikan prinsip dasar pengoperasian laser semikonduktor. Jika kristal semikonduktor dalam keadaan kesetimbangan termodinamika dengan lingkungannya, maka dia hanya mampu menyerap radiasi yang jatuh di atasnya. Intensitas cahaya yang telah menempuh jarak tertentu dalam kristal X, diberikan oleh relasi yang diketahui Booger-Lambert

Di Sini R- koefisien pantulan cahaya;

α - koefisien penyerapan cahaya.

Untuk menerangi diintensifkan melewati kristal, dan tidak melemah, diperlukan koefisien α kurang dari nol, yang lingkungan kesetimbangan termodinamika tidak mungkin. Pengoperasian laser apa pun (gas, cair, padat) mengharuskan lingkungan kerja laser berada dalam kondisi tersebut populasi terbalik - keadaan seperti itu di mana jumlah elektron pada tingkat energi dataran tinggi akan lebih besar daripada pada tingkat yang lebih rendah (keadaan seperti itu juga disebut "keadaan dengan suhu negatif"). Mari kita dapatkan hubungan yang menggambarkan keadaan dengan populasi terbalik dalam semikonduktor.

Membiarkan ε 1 Dan ε 2 – digabungkan secara optik di antara mereka sendiri tingkat energi, yang pertama ada di valensi, dan yang kedua - di pita konduksi semikonduktor (Gbr. 2). Istilah "berpasangan secara optik" berarti bahwa transisi elektron di antara mereka diizinkan oleh aturan pemilihan. Menyerap kuantum cahaya dengan energi hv 12, elektron bergerak dari tingkat ε 1 ke tingkat ε 2. Kecepatan transisi semacam itu akan sebanding dengan kemungkinan mengisi level pertama F 1 , probabilitas tingkat kedua kosong: (1- F 2), dan kerapatan fluks foton P(hν 12)

Transisi terbalik - dari tingkat atas ke tingkat yang lebih rendah, dapat terjadi dalam dua cara - karena spontan Dan dipaksa rekombinasi. Dalam kasus kedua, interaksi kuantum cahaya dengan elektron yang terletak di level ε 2 "memaksa" elektron untuk bergabung kembali dengan emisi kuantum cahaya identik salah satu yang menyebabkan proses rekombinasi paksa. Itu. dalam sistem terdapat amplifikasi cahaya, yang merupakan inti dari pengoperasian laser. Tingkat rekombinasi spontan dan paksa akan ditulis sebagai:

(3)

Dalam keadaan kesetimbangan termodinamika

. (5)

Menggunakan kondisi 5, seseorang dapat menunjukkan bahwa koefisien PUKUL 12, DI 21 Dan 21(“Koefisien Einstein”) saling berhubungan, yaitu:

, (6)

Di mana N- indeks bias semikonduktor; Dengan adalah kecepatan cahaya.

Namun, berikut ini, kami tidak akan memperhitungkan rekombinasi spontan, karena Tingkat rekombinasi spontan tidak tergantung pada kerapatan fluks foton dalam media laser yang bekerja, dan tingkat rekombinasi yang distimulasi akan berada pada nilai yang besar. Р(hν 12) secara signifikan melebihi tingkat rekombinasi spontan. Agar cahaya diperkuat, laju transisi "top-down" paksa harus melebihi laju transisi "bottom-up":

Setelah menuliskan probabilitas populasi level dengan energi elektron ε 1 Dan ε 2 sebagai

, (8)

kami memperoleh kondisi populasi terbalik dalam semikonduktor

Karena jarak minimum antar tingkat ε 1 Dan ε 2 sama dengan celah pita semikonduktor ε g . Rasio ini dikenal dengan rasio Bernard-Durafour.

Formula 9 mencakup nilai-nilai yang disebut. tingkat quasi-Fermi- Level Fermi terpisah untuk pita konduksi F C dan pita valensi FV. Situasi seperti itu hanya mungkin untuk ketidaksetimbangan, atau lebih tepatnya, untuk kuasi-ekuilibrium sistem. Untuk pembentukan level Fermi di kedua pita yang diizinkan (level yang memisahkan keadaan terisi elektron dan keadaan kosong (lihat Pendahuluan)), diperlukan waktu relaksasi nadi elektron dan lubang adalah beberapa urutan besarnya waktu hidup lebih sedikit pembawa muatan berlebih:

Sebagai akibat tidak seimbang secara umum, gas lubang elektron dapat dianggap sebagai kombinasi elektronik kesetimbangan gas di pita konduksi dan lubang kesetimbangan gas di pita valensi (Gbr. 2).

Gbr.2. Diagram energi semikonduktor dengan populasi tingkat terbalik. Keadaan yang diisi dengan elektron diarsir.

Prosedur untuk membuat populasi terbalik dalam media kerja laser (dalam kasus kami, dalam kristal semikonduktor) disebut pemompaan. Laser semikonduktor dapat dipompa dari luar oleh cahaya, seberkas elektron cepat, medan frekuensi radio yang kuat, atau dampak ionisasi pada semikonduktor itu sendiri. Tapi yang paling sederhana, ekonomis dan, karena fakta itu yang paling umum metode pemompaan laser semikonduktor adalah injeksi pembawa muatan di persimpangan p-n yang merosot(lihat manual "Fisika perangkat semikonduktor"; dioda terowongan). Prinsip pemompaan tersebut jelas dari Gambar. 3, yang menunjukkan diagram energi transisi seperti itu dalam keadaan kesetimbangan termodinamika dan pada perpindahan besar ke depan. Dapat dilihat bahwa di wilayah d, yang berbatasan langsung dengan persimpangan p-n, populasi terbalik terwujud - jarak energi antara level kuasi-Fermi lebih besar daripada celah pita.

Gbr.3. Persimpangan p-n yang merosot dalam kesetimbangan termodinamika (kiri) dan dengan bias maju yang besar (kanan).

Namun, menciptakan populasi terbalik di lingkungan kerja adalah diperlukan, tetapi juga bukan syarat yang cukup untuk menghasilkan radiasi laser. Dalam laser apa pun, dan dalam laser semikonduktor khususnya, bagian dari daya pompa yang disuplai ke perangkat akan hilang secara sia-sia. Dan hanya ketika daya pompa melebihi nilai tertentu - ambang generasi, laser mulai bekerja sebagai penguat cahaya kuantum. Ketika ambang generasi terlampaui:

· A) meningkat tajam intensitas radiasi yang dipancarkan oleh perangkat (Gbr. 4a);

B) menyempit spektral garis radiasi (Gbr. 4b);

c) radiasi menjadi koheren dan terfokus.

Gbr.4. Peningkatan intensitas (kiri) dan penyempitan garis spektral radiasi (kanan) dari laser semikonduktor ketika arus melebihi nilai ambang batas.

Untuk mencapai kondisi ambang untuk generasi, media kerja laser biasanya ditempatkan resonator optik. Ini meningkatkan panjang jalur optik sinar di lingkungan kerja, memfasilitasi pencapaian ambang generasi, berkontribusi pada pemfokusan sinar yang lebih baik, dll. Dari sekian banyak jenis rongga optik pada laser semikonduktor, yang paling sederhana resonator Fabry-Perot- dua cermin bidang-paralel tegak lurus dengan persimpangan p-n. Selain itu, tepi kristal semikonduktor yang dipoles itu sendiri digunakan sebagai cermin.

Pertimbangkan lewatnya gelombang elektromagnetik melalui resonator semacam itu. Mari kita ambil transmisi dan koefisien pantulan cermin kiri resonator sebagai t1 Dan r1, kanan (di mana radiasi keluar) - di belakang t2 Dan r2; panjang resonator - L. Biarkan gelombang elektromagnetik jatuh di sisi kiri kristal dari luar, yang persamaannya kita tulis dalam bentuk:

. (11)

Setelah melewati cermin kiri, kristal dan cermin kanan, sebagian radiasi akan melewati sisi kanan kristal, dan sebagian akan dipantulkan dan kembali ke sisi kiri (Gbr. 5).

Gbr.5. Gelombang elektromagnetik dalam resonator Fabry-Perot.

Jalur lebih lanjut dari balok dalam resonator, amplitudo dari balok yang keluar dan yang dipantulkan terlihat jelas dari gambar. Mari kita simpulkan amplitudo dari semua gelombang elektromagnetik yang dipancarkan melalui sisi kanan kristal:

= (12).

Mari kita mensyaratkan bahwa jumlah amplitudo semua gelombang yang muncul melalui sisi kanan tidak sama dengan nol bahkan untuk amplitudo gelombang kecil yang menghilang di sisi kiri kristal. Jelas, ini hanya dapat terjadi jika penyebut pecahan di (12) cenderung nol. Dari sini kita mendapatkan:

, (13)

dan memperhitungkan fakta bahwa intensitas cahaya , yaitu ; , Di mana R 1 , R 2 - koefisien refleksi cermin - permukaan kristal "berdasarkan intensitas", dan, terlebih lagi, , akhirnya, kami menulis rasio ambang generasi sebagai:

. (14)

Berdasarkan (11) faktor 2r yang termasuk dalam eksponen terkait dengan indeks bias kompleks kristal:

Di sisi kanan (15), suku pertama menentukan fase gelombang cahaya, dan suku kedua menentukan amplitudo. Dalam media kesetimbangan termodinamika biasa, cahaya dilemahkan (diserap); dalam media kerja aktif laser, rasio yang sama harus ditulis dalam bentuk , Di mana G - keuntungan ringan, dan simbol a saya ditandai semua kerugian memompa energi, tidak harus hanya bersifat optik. Kemudian kondisi ambang amplitudo ditulis ulang sebagai:

atau . (16)

Jadi, kami telah mendefinisikan diperlukan(9) dan memadai(16) kondisi untuk pembangkitan laser semikonduktor. Begitu nilainya memperoleh akan melebihi kerugian dengan nilai yang ditentukan oleh suku pertama pada (16), amplifikasi cahaya akan dimulai pada media kerja dengan populasi kebalikan dari level. Nilai penguatan itu sendiri akan bergantung pada daya pompa atau, yang sama untuk laser injeksi, pada nilainya arus operasi. Di area kerja normal laser semikonduktor dan secara linier tergantung pada besarnya arus operasi

. (17)

Dari (16) dan (17) untuk arus ambang kita mendapatkan:

, (18)

lewat mana SAYA 0 ditunjuk oleh apa yang disebut. "Ambang inversi" - nilai arus operasi di mana populasi terbalik dalam semikonduktor tercapai. Karena biasanya , suku pertama di (18) dapat diabaikan.

Faktor proporsionalitas β untuk laser menggunakan sambungan p-n konvensional dan dibuat, misalnya dari GaAs, dapat dihitung dengan rumus

, (19)

Di mana e dan Δ E - posisi dan setengah lebar garis spektrum radiasi laser.

Perhitungan menurut rumus 18 memberikan pada suhu kamar T=300 K untuk laser seperti nilai yang sangat tinggi dari kerapatan arus ambang 5 . 10 4 A / cm 2, mis. laser semacam itu dapat dioperasikan dengan pendinginan yang baik atau dengan pulsa pendek. Oleh karena itu, seperti disebutkan di atas, hanya penciptaan pada tahun 1970 oleh kelompok Zh.I.Alferov laser sambungan hetero diizinkan dikurangi dengan 2 urutan besarnya arus ambang laser semikonduktor, yang akhirnya mengarah pada penerapan massal perangkat ini dalam elektronik.

Untuk memahami bagaimana ini dicapai, mari kita lihat lebih dekat. struktur kerugian dalam laser semikonduktor. ke non-spesifik umum untuk laser apa pun, dan pada prinsipnya kerugian fatal kerugian harus dikaitkan dengan transisi spontan dan kerugian pada termalisasi.

Transisi spontan dari tingkat atas ke bawah akan selalu ada, dan karena kuanta cahaya yang dipancarkan dalam hal ini akan memiliki distribusi acak dalam fase dan arah perambatan (tidak akan ada koheren), maka pengeluaran energi pompa untuk pembangkitan pasangan lubang-elektron yang mengkombinasikan kembali secara spontan harus dikaitkan dengan kerugian.

Dengan metode pemompaan apa pun, elektron akan dilemparkan ke pita konduksi semikonduktor, dengan energi yang lebih besar dari energi tingkat kuasi-Fermi F C. Elektron ini, kehilangan energi dalam tabrakan dengan cacat kisi, dengan cepat turun ke tingkat quasi-Fermi - sebuah proses yang disebut termalisasi. Energi yang hilang oleh elektron selama hamburannya pada cacat kisi adalah kerugian termalisasi.

KE dilepas sebagian kerugian dapat dikaitkan dengan rekombinasi nonradiatif. Dalam semikonduktor celah langsung, tingkat pengotor yang dalam biasanya bertanggung jawab atas rekombinasi nonradiatif (lihat "Efek Fotolistrik pada Semikonduktor Homogen"). Pembersihan kristal semikonduktor secara menyeluruh dari pengotor yang membentuk tingkat tersebut mengurangi kemungkinan rekombinasi nonradiatif.

Dan akhirnya, kerugian penyerapan non-resonansi dan seterusnya arus bocor dapat dikurangi secara signifikan dengan menggunakan untuk pembuatan laser struktur hetero.

Tidak seperti persimpangan p-n konvensional, di mana semikonduktor identik terletak di kanan dan kiri titik kontak, hanya berbeda dalam komposisi pengotor dan jenis konduktivitas, dalam struktur hetero di kedua sisi kontak terdapat semikonduktor dengan komposisi kimia yang berbeda. Semikonduktor ini memiliki celah pita yang berbeda, sehingga pada titik kontak akan terjadi "lompatan" pada energi potensial elektron ("tipe kait" atau tipe "dinding" (Gbr. 6)).

Gbr.6. Laser injeksi berdasarkan struktur hetero dua sisi dalam keadaan kesetimbangan termodinamika (kiri) dan dalam mode operasi (kanan).

Bergantung pada jenis konduktivitas semikonduktor, struktur hetero dapat terjadi isotipe(p-P; n-N heterostruktur) dan anisotipe(p-N; heterostruktur n-P). Huruf kapital dalam heterostruktur biasanya menunjukkan semikonduktor dengan celah pita yang lebih besar. Jauh dari semikonduktor mana pun mampu membentuk struktur hetero berkualitas tinggi yang cocok untuk membuat perangkat elektronik atas dasar mereka. Agar antarmuka mengandung cacat sesedikit mungkin, komponen heterostruktur harus dimiliki struktur kristal yang sama dan sangat nilai dekat konstanta kisi. Di antara semikonduktor grup A III B V, hanya dua pasang senyawa yang memenuhi persyaratan ini: GaAs-AlAs dan GaSb-AlSb serta solusi padat(lihat Pendahuluan), yaitu. GaAs-Ga x Al 1- x As ; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Memperumit komposisi semikonduktor, dimungkinkan untuk memilih pasangan lain yang cocok untuk membuat struktur hetero, misalnya, InP-In x Ga 1- x As y P 1- y ; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y . Laser injeksi juga dibuat dari struktur hetero berdasarkan senyawa semikonduktor A IV B VI, seperti PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - laser ini memancarkan spektrum inframerah jauh.

Rugi arus bocor dalam heterolaser, hampir seluruhnya dapat dihilangkan karena perbedaan celah pita semikonduktor yang membentuk struktur hetero. Memang (Gbr. 3), lebar wilayah d dekat persimpangan p-n biasa, di mana kondisi populasi terbalik terpenuhi, hanya 1 μm, sedangkan pembawa muatan yang disuntikkan melalui persimpangan bergabung kembali di wilayah yang jauh lebih besar L n + L p dengan lebar 10 μm . Rekombinasi pembawa di wilayah ini tidak berkontribusi pada radiasi yang koheren. DI DALAM bilateral Wilayah heterostruktur N-p-P (Gbr. 6) dengan populasi terbalik bertepatan dengan ketebalan lapisan semikonduktor celah sempit di tengah heterolaser. Hampir semua elektron dan lubang disuntikkan ke wilayah ini dari semikonduktor celah lebar dan bergabung kembali di sana. Hambatan potensial pada antarmuka antara semikonduktor celah lebar dan celah sempit tidak memungkinkan pembawa muatan untuk "menyebar", yang secara dramatis meningkatkan efisiensi struktur seperti itu dibandingkan dengan sambungan p-n konvensional (Gbr. 3).

Dalam lapisan semikonduktor celah sempit, tidak hanya elektron dan lubang nonequilibrium yang akan terkonsentrasi, tetapi juga sebagian besar radiasi. Alasan untuk fenomena ini adalah bahwa semikonduktor yang menyusun struktur hetero berbeda dalam indeks bias. Sebagai aturan, indeks bias lebih tinggi untuk semikonduktor celah sempit. Oleh karena itu, semua sinar memiliki sudut datang pada batas dua semikonduktor

, (20)

akan menjalani refleksi internal total. Akibatnya, radiasi akan "terkunci" di lapisan aktif (Gbr. 7), yang secara signifikan akan mengurangi kerugian pada penyerapan non-resonansi(biasanya ini yang disebut "penyerapan oleh pembawa muatan gratis").

Gbr.7. Keterbatasan optik dalam perambatan cahaya dalam struktur hetero. Pada sudut datang yang lebih besar dari θ, pemantulan internal total terjadi dari antarmuka antara semikonduktor yang membentuk struktur hetero.

Semua hal di atas memungkinkan untuk diperoleh dalam heterolaser amplifikasi optik raksasa dengan dimensi mikroskopis dari daerah aktif: ketebalan lapisan aktif, panjang resonator . Heterolaser beroperasi pada suhu kamar di modus terus menerus, dan karakteristik kerapatan arus operasi tidak melebihi 500 A/cm 2 . Spektrum radiasi laser yang paling tersedia secara komersial di mana lingkungan kerja galium arsenida, mewakili garis sempit dengan maksimum di wilayah spektrum inframerah dekat , meskipun laser semikonduktor telah dikembangkan yang memancarkan radiasi tampak dan laser yang memancarkan di daerah inframerah jauh dengan .

Kirim karya bagus Anda di basis pengetahuan itu sederhana. Gunakan formulir di bawah ini

Pelajar, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.

Dokumen Serupa

Perambatan pulsa energi elektromagnetik di sepanjang panduan cahaya. Dispersi intermode dalam serat multimode. Penentuan dispersi intramode. Dispersi material dan pandu gelombang dalam serat optik mode tunggal. Panjang gelombang dispersi nol.

tes, ditambahkan 18/05/2011


Mekanisme pemompaan injeksi. Besarnya tegangan bias. Karakteristik dasar laser semikonduktor dan kelompoknya. Spektrum emisi tipikal dari laser semikonduktor. Arus ambang. Daya radiasi laser dalam mode berdenyut.

presentasi, ditambahkan 19/02/2014


Perhitungan panjang bagian regenerasi sistem serat optik (FOCL) untuk mentransmisikan informasi sesuai dengan parameter yang diberikan dari potensi energi sistem dan dispersi dalam serat optik. Evaluasi kecepatan FOCL. Definisi bandwidth.

tes, ditambahkan 05/29/2014


Penguat sinyal optik Erbium. Parameter penguat serat. Daya keluaran sinyal dan efisiensi energi pompa. Dapatkan lebar pita dan keseragaman. Laser pompa semikonduktor "LATUS-K". Desain laser pompa.

tesis, ditambahkan 12/24/2015


Tahapan pengembangan dan prospek pelaksanaan proyek pembuatan kompleks laser anggaran berdasarkan laser semikonduktor yang dirancang untuk memproses bahan organik. Mempelajari parameter utama dan karakteristik photodetector.

makalah, ditambahkan 07/15/2015


Perhitungan struktur laser semikonduktor berdasarkan senyawa kelompok ketiga dan kelima untuk jalur komunikasi serat optik generasi III. Pilihan struktur kristal. Perhitungan parameter, resonator ROS, hasil kuantum internal, batasan optik.

makalah, ditambahkan 11/05/2015


Pemasangan kabel serat optik menggunakan peralatan SDH sinkron digital hirarki (SDH), bukan sistem K-60p yang dipadatkan, di bagian Dzhetygara - Komsomolets. Perhitungan tingkat radiasi maksimum yang diizinkan dari laser semikonduktor.

tesis, ditambahkan 11/06/2014


Kejadian gelombang bidang pada antarmuka antara dua media, rasio resistansi gelombang dan komponen medan. Perambatan gelombang terpolarisasi dalam serat logam, perhitungan kedalaman penetrasinya. Penentuan medan di dalam serat dielektrik.

makalah, ditambahkan 06/07/2011

Perkenalan

Salah satu pencapaian fisika yang paling luar biasa di paruh kedua abad ke-20 adalah penemuan fenomena fisik yang menjadi dasar penciptaan perangkat luar biasa, generator kuantum optik, atau laser.

Laser adalah sumber cahaya koheren monokromatik dengan berkas cahaya yang sangat terarah.

Generator kuantum adalah kelas khusus perangkat elektronik yang menggabungkan pencapaian terbaru di berbagai bidang sains dan teknologi.

Laser gas adalah laser yang media aktifnya adalah gas, campuran beberapa gas, atau campuran gas dengan uap logam.

Laser gas adalah jenis laser yang paling banyak digunakan saat ini. Di antara berbagai jenis laser gas, Anda selalu dapat menemukan laser yang akan memenuhi hampir semua kebutuhan laser, dengan pengecualian daya yang sangat tinggi di wilayah spektrum yang terlihat dalam mode pulsa.

Daya tinggi diperlukan untuk banyak percobaan dalam mempelajari sifat optik nonlinier bahan. Saat ini, laser gas berkekuatan tinggi belum diperoleh karena kerapatan atom di dalamnya tidak cukup tinggi. Namun, untuk hampir semua penggunaan lain, jenis laser gas tertentu dapat ditemukan yang akan mengungguli laser solid-state yang dipompa secara optik dan laser semikonduktor.

Sekelompok besar laser gas adalah laser pelepasan gas, di mana media aktifnya adalah gas yang dijernihkan (tekanan 1–10 mm Hg), dan pemompaan dilakukan dengan pelepasan listrik, yang dapat berpijar atau melengkung, dan dibuat oleh arus bolak-balik arus searah atau frekuensi tinggi (10 –50 MHz).

Ada beberapa jenis laser pelepasan gas. Dalam laser ion, radiasi diperoleh karena transisi elektron antara tingkat energi ion. Contohnya adalah laser argon, yang menggunakan pelepasan busur DC.

Laser berdasarkan transisi atom dihasilkan karena transisi elektron antara tingkat energi atom. Laser ini menghasilkan radiasi dengan panjang gelombang 0,4–100 µm. Contohnya adalah laser helium-neon yang beroperasi pada campuran helium dan neon pada tekanan sekitar 1 mmHg. Seni. Untuk pemompaan, pelepasan pijar digunakan, dibuat oleh tegangan konstan sekitar 1000 V.

Laser molekuler juga termasuk laser pelepasan gas, di mana radiasi muncul dari transisi elektron antara tingkat energi molekul. Laser ini memiliki rentang frekuensi yang luas, sesuai dengan panjang gelombang dari 0,2 hingga 50 µm.

Yang paling umum dari laser karbon dioksida molekuler (laser CO 2). Ini dapat menghasilkan daya hingga 10 kW dan memiliki efisiensi yang cukup tinggi - sekitar 40%. Nitrogen, helium, dan gas lainnya biasanya ditambahkan ke karbon dioksida utama. Untuk pemompaan, digunakan pelepasan pijar arus searah atau frekuensi tinggi. Laser karbon dioksida menghasilkan radiasi dengan panjang gelombang sekitar 10 mikron.

Desain generator kuantum sangat melelahkan karena berbagai macam proses yang menentukan kinerjanya, tetapi meskipun demikian, laser gas karbon dioksida digunakan di banyak area.

Berdasarkan laser CO 2, sistem panduan laser, sistem lokasi untuk memantau lingkungan (lidar), instalasi teknologi untuk pengelasan laser, pemotongan logam dan bahan dielektrik, instalasi untuk memotong permukaan kaca, dan pengerasan permukaan produk baja telah dikembangkan. dan berhasil dioperasikan. Juga, laser CO2 banyak digunakan dalam sistem komunikasi ruang angkasa.

Tujuan utama dari disiplin "perangkat dan perangkat kuantum optoelektronik" adalah untuk mempelajari fondasi fisik, perangkat, prinsip operasi, karakteristik, dan parameter perangkat dan perangkat paling penting yang digunakan dalam sistem komunikasi optik. Ini termasuk generator dan amplifier kuantum, modulator optik, detektor foto, elemen dan perangkat optik nonlinier, komponen optik holografik dan terintegrasi. Ini menyiratkan relevansi topik proyek kursus ini.

Tujuan dari proyek kursus ini adalah untuk mendeskripsikan laser gas dan menghitung laser helium-neon.

Sesuai dengan tujuan, tugas-tugas berikut diselesaikan:

Mempelajari prinsip pengoperasian generator kuantum;

Mempelajari perangkat dan prinsip pengoperasian laser CO 2;

Studi dokumentasi keselamatan saat bekerja dengan laser;

Perhitungan laser CO2.

1 Prinsip pengoperasian generator kuantum

Prinsip pengoperasian generator kuantum didasarkan pada amplifikasi gelombang elektromagnetik menggunakan efek radiasi terstimulasi (induksi). Amplifikasi disediakan karena pelepasan energi internal selama transisi atom, molekul, dan ion yang distimulasi oleh radiasi eksternal dari beberapa tingkat energi atas yang tereksitasi ke tingkat energi yang lebih rendah (terletak di bawah). Transisi paksa ini disebabkan oleh foton. Energi foton dapat dihitung dengan rumus:

hν \u003d E 2 - E 1,

di mana E2 dan E1 adalah energi dari tingkat atas dan bawah;

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

ν = c/λ adalah frekuensi radiasi, c adalah kecepatan cahaya, λ adalah panjang gelombang.

Eksitasi, atau biasa disebut pemompaan, dilakukan baik secara langsung dari sumber energi listrik, atau karena aliran radiasi optik, reaksi kimia, atau sejumlah sumber energi lainnya.

Dalam kondisi kesetimbangan termodinamika, distribusi energi partikel secara unik ditentukan oleh suhu tubuh dan dijelaskan oleh hukum Boltzmann, yang menurutnya semakin tinggi tingkat energi, semakin rendah konsentrasi partikel dalam keadaan tertentu, di negara lain. kata, semakin rendah populasinya.

Di bawah pengaruh pemompaan, yang melanggar kesetimbangan termodinamika, situasi sebaliknya dapat muncul, ketika populasi tingkat atas melebihi populasi tingkat bawah. Suatu keadaan terjadi yang disebut inversi populasi. Dalam hal ini, jumlah transisi paksa dari tingkat energi atas ke yang lebih rendah, di mana terjadi radiasi induksi, akan melebihi jumlah transisi balik, disertai dengan penyerapan radiasi awal. Karena arah propagasi, fase, dan polarisasi radiasi yang diinduksi bertepatan dengan arah, fase, dan polarisasi radiasi aktif, efek amplifikasi muncul.

Media di mana amplifikasi radiasi karena transisi yang diinduksi dimungkinkan disebut media aktif. Parameter utama yang mencirikan sifat penguatnya adalah koefisien atau faktor amplifikasi kν - parameter yang menentukan perubahan fluks radiasi pada frekuensi ν per satuan panjang ruang interaksi.

Sifat penguat media aktif dapat ditingkatkan secara signifikan dengan menerapkan prinsip umpan balik positif yang dikenal dalam radiofisika, ketika bagian dari sinyal yang diperkuat dikembalikan ke media aktif dan diperkuat kembali. Jika, dalam hal ini, penguatan melebihi semua kerugian, termasuk yang digunakan sebagai sinyal yang berguna (kerugian yang berguna), mode pembuatan otomatis terjadi.

Generasi diri dimulai dengan munculnya transisi spontan dan berkembang ke beberapa tingkat stasioner, ditentukan oleh keseimbangan antara untung dan rugi.

Dalam elektronik kuantum, untuk membuat umpan balik positif pada panjang gelombang tertentu, digunakan resonator terbuka - sistem dua cermin, salah satunya (tuli) dapat sepenuhnya buram, yang kedua (keluaran) dibuat tembus cahaya.

Wilayah generasi laser sesuai dengan rentang optik gelombang elektromagnetik, oleh karena itu resonator laser juga disebut resonator optik.

Diagram fungsional tipikal laser dengan elemen di atas ditunjukkan pada Gambar 1.

Elemen struktural wajib dari laser gas harus berupa cangkang (tabung pelepasan), yang volumenya berisi gas dengan komposisi tertentu pada tekanan tertentu. Di sisi ujung, cangkang ditutup dengan jendela yang terbuat dari bahan transparan terhadap radiasi laser. Bagian fungsional dari perangkat ini disebut elemen aktif. Jendela untuk mengurangi kehilangan pantulan dari permukaannya diatur pada sudut Brewster. Radiasi laser pada perangkat semacam itu selalu terpolarisasi.

Elemen aktif, bersama dengan cermin resonator yang dipasang di luar elemen aktif, disebut emitor. Varian dimungkinkan ketika cermin resonator dipasang langsung di ujung cangkang elemen aktif, sekaligus menjalankan fungsi jendela untuk menyegel volume gas (laser dengan cermin internal).

Ketergantungan frekuensi penguatan media aktif (gain loop) ditentukan oleh bentuk garis spektral dari transisi kuantum yang bekerja. Pembuatan laser hanya terjadi pada frekuensi seperti itu di dalam sirkuit ini, di mana bilangan bulat setengah gelombang cocok di ruang antara cermin. Dalam hal ini, sebagai akibat dari interferensi gelombang langsung dan mundur, yang disebut gelombang berdiri dengan simpul energi pada cermin terbentuk di resonator.

Struktur medan elektromagnetik gelombang berdiri di resonator bisa sangat beragam. Konfigurasi spesifiknya disebut mod. Osilasi dengan frekuensi berbeda tetapi distribusi medan yang sama dalam arah melintang disebut mode longitudinal (atau aksial). Mereka terkait dengan gelombang yang merambat secara ketat di sepanjang sumbu resonator. Osilasi yang berbeda satu sama lain dalam distribusi bidang dalam arah melintang, masing-masing - mode melintang (atau non-aksial). Mereka terkait dengan gelombang yang merambat pada berbagai sudut kecil terhadap sumbu dan masing-masing memiliki komponen transversal dari vektor gelombang. Singkatan berikut digunakan untuk menunjuk berbagai mode: TEMmn. Dalam notasi ini, m dan n adalah indeks yang menunjukkan periodisitas perubahan medan pada cermin sepanjang koordinat yang berbeda dalam arah melintang. Jika hanya mode fundamental (terendah) yang dihasilkan selama operasi laser, kita berbicara tentang operasi mode tunggal. Jika terdapat beberapa mode transversal, maka mode tersebut disebut multimode. Saat beroperasi dalam mode mode tunggal, pembangkitan dimungkinkan pada beberapa frekuensi dengan jumlah mode longitudinal yang berbeda. Jika pembangkitan hanya terjadi dalam satu mode longitudinal, seseorang berbicara tentang mode frekuensi tunggal.

Gambar 1 - Skema laser gas.

Penunjukan berikut digunakan dalam gambar:

1. Cermin resonator optik;
2. Jendela resonator optik;
3. elektroda;
4. Tabung pelepasan.

2 Desain dan prinsip pengoperasian laser CO 2

Secara skematis, perangkat laser CO 2 ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 - Prinsip perangkat laser CO2.

Salah satu jenis laser CO2 yang paling umum adalah laser gas-dinamis. Di dalamnya, inversi populasi yang diperlukan untuk radiasi laser tercapai karena fakta bahwa gas dipanaskan terlebih dahulu hingga 1500 K pada tekanan 20–30 atm. , memasuki ruang kerja, di mana ia mengembang, dan suhu serta tekanannya berkurang tajam. Laser semacam itu dapat menghasilkan radiasi terus menerus dengan kekuatan hingga 100 kW.

Untuk membuat media aktif (seperti yang mereka katakan, "memompa") laser CO 2, pelepasan cahaya DC paling sering digunakan. Baru-baru ini, pelepasan frekuensi tinggi semakin banyak digunakan. Tapi ini masalah tersendiri. Pelepasan frekuensi tinggi dan aplikasi terpenting yang ditemukan di zaman kita (tidak hanya dalam teknologi laser) adalah topik dari artikel terpisah. Pada prinsip umum pengoperasian laser CO 2 pelepasan listrik, masalah yang muncul dalam kasus ini, dan beberapa desain berdasarkan penggunaan pelepasan arus searah.

Pada awal tahun 1970-an, selama pengembangan laser CO 2 berkekuatan tinggi, menjadi jelas bahwa pelepasan ditandai dengan fitur yang sampai sekarang tidak diketahui dan ketidakstabilan yang merusak laser. Mereka menimbulkan hambatan yang hampir tidak dapat diatasi untuk mencoba mengisi volume besar dengan plasma pada tekanan tinggi, yang persis diperlukan untuk mendapatkan kekuatan laser yang tinggi. Mungkin tidak ada masalah yang bersifat terapan yang melayani kemajuan ilmu pelepasan listrik dalam gas dalam beberapa dekade terakhir sebanyak tugas membuat laser CW CO 2 berdaya tinggi.

Pertimbangkan prinsip pengoperasian laser CO 2.

Media aktif dari hampir semua laser adalah zat, dalam molekul atau atom tertentu yang, dalam pasangan level tertentu, populasi terbalik dapat dibuat. Ini berarti bahwa jumlah molekul dalam keadaan kuantum atas yang sesuai dengan transisi laser radiatif melebihi jumlah molekul di bagian bawah. Berbeda dengan situasi biasa, seberkas cahaya yang melewati media semacam itu tidak diserap, tetapi diperkuat, yang membuka kemungkinan menghasilkan radiasi.

Tahukah kamu, apa itu percobaan pikiran, percobaan gedanken?
Ini adalah praktik yang tidak ada, pengalaman dunia lain, imajinasi tentang apa yang sebenarnya tidak ada. Eksperimen pikiran seperti lamunan. Mereka melahirkan monster. Tidak seperti eksperimen fisik, yang merupakan pengujian hipotesis eksperimental, "eksperimen pikiran" secara ajaib menggantikan pengujian eksperimental dengan kesimpulan yang diinginkan dan belum teruji, memanipulasi konstruksi logis yang sebenarnya melanggar logika itu sendiri dengan menggunakan premis yang belum terbukti sebagai yang terbukti, yaitu dengan pengganti. Dengan demikian, tugas utama pelamar "eksperimen pemikiran" adalah menipu pendengar atau pembaca dengan mengganti eksperimen fisik nyata dengan "boneka" -nya - penalaran fiktif bebas bersyarat tanpa verifikasi fisik itu sendiri.
Mengisi fisika dengan imajiner, "eksperimen pemikiran" telah menghasilkan gambaran dunia yang absurd, surealis, dan membingungkan. Seorang peneliti sejati harus membedakan "pembungkus" seperti itu dari nilai-nilai nyata.

Relativis dan positivis berpendapat bahwa "eksperimen pikiran" adalah alat yang sangat berguna untuk menguji teori (juga muncul dalam pikiran kita) untuk konsistensi. Dalam hal ini mereka menipu orang, karena verifikasi apa pun hanya dapat dilakukan oleh sumber yang independen dari objek verifikasi. Pemohon hipotesis itu sendiri tidak dapat menjadi ujian atas pernyataannya sendiri, karena alasan pernyataan ini sendiri adalah tidak adanya kontradiksi yang terlihat oleh pemohon dalam pernyataan tersebut.

Ini kita lihat pada contoh SRT dan GR yang telah berubah menjadi semacam agama yang mengatur sains dan opini publik. Tidak ada jumlah fakta yang bertentangan dengannya yang dapat mengatasi rumus Einstein: "Jika fakta tidak sesuai dengan teori, ubah fakta" (Dalam versi lain, "Apakah fakta tidak sesuai dengan teori? - Jauh lebih buruk untuk fakta tersebut ").

Maksimal yang dapat diklaim oleh "eksperimen pikiran" hanyalah konsistensi internal dari hipotesis dalam kerangka logika pelamar sendiri, seringkali sama sekali tidak benar. Kepatuhan terhadap praktik tidak memeriksa hal ini. Tes nyata hanya dapat dilakukan dalam eksperimen fisik nyata.

Eksperimen adalah eksperimen, karena itu bukan penyempurnaan pemikiran, tetapi ujian pemikiran. Pemikiran yang konsisten di dalam dirinya sendiri tidak dapat menguji dirinya sendiri. Hal ini telah dibuktikan oleh Kurt Gödel.