半導体注入レーザー。 コースワーク 半導体レーザー 半導体レーザーの計算と設計
半導体注入レーザー、別のタイプのソリッドステートエミッターと同じように - LED、はあらゆる光電子システムの最も重要な要素です。 両方のデバイスの動作は現象に基づいています エレクトロルミネセンス。上記の半導体エミッタに関連して、エレクトロルミネッセンスのメカニズムは次のように実現されます。 放射再結合を通して注入された非平衡電荷キャリア pn接合。
最初の LED は 20 世紀の 50 年代から 60 年代の変わり目に登場し、すでに 1961 年には登場していました。 NG バソフ、オンタリオ州 クロヒンとYu.M. ポポフ縮退時に注入を使用することを提案 pn接合 x レーザー効果を得るには。 1962年にアメリカの物理学者たちは、 R.ホール他。 半導体 LED のスペクトル輝線の狭小化を記録することができ、これはレーザー効果 (「超放射」) の現れであると解釈されました。 1970年、ロシアの物理学者たちは、 Zh.I. アルフェロフ他。 最初のものは作られました ヘテロ構造レーザー。これにより、デバイスを大量連続生産に適したものにすることが可能となり、2000 年に注目されました。 ノーベル賞物理学で。 現在、半導体レーザーは、主にコンピュータ、オーディオおよびビデオ CD の情報の記録および読み取りを行う装置に最も広く使用されています。 半導体レーザーの主な利点は次のとおりです。
1. 経済的、ポンプエネルギーからコヒーレント放射エネルギーへの高い変換効率によって保証されます。
2. 低慣性、生成モードを確立するための特性時間が短いため (~ 10 -10 秒)。
3. コンパクトさ、巨大な光学利得を提供する半導体の特性に関連しています。
4. シンプルな装置低電圧電源、互換性 集積回路(「マイクロチップ」);
5. 機会 スムーズな波長調整依存性により広範囲にわたって 光学特性温度、圧力などから半導体を測定します。
主な特徴半導体レーザーが使われている 光学遷移エネルギー準位（エネルギー状態）が関係する 主要な電子エネルギーゾーン結晶。 これは、半導体レーザーと、たとえば、Al 2 O 3 中のクロムイオン Cr 3+ の不純物準位間の光学遷移を利用するルビー レーザーとの違いです。 半導体レーザーでの使用には、半導体化合物 A III B V が最適であることが判明しました (「はじめに」を参照)。 それはこれらの化合物とその 固溶体ほとんどの半導体レーザーは工業的に製造されています。 このクラスの多くの半導体材料では、過剰電流キャリアの再結合は次のように行われます。 直接伝導帯の底部付近の充填状態と価電子帯の上部付近の自由状態の間の光学的遷移（図1）。 光学的遷移の高い確率 ダイレクトギャップ半導体とバンド内の状態密度が高いため、 高い光学利得半導体では。
図1。 反転分布を有するダイレクトギャップ半導体における発光再結合中の光子放出。
半導体レーザーの基本的な動作原理を考えてみましょう。 半導体結晶がこんな状態であれば 熱力学的平衡環境があれば、彼は次のことしかできません。 吸収するそこに放射線が入射する。 結晶中を伝わる光の強さ バツ、既知の関係によって与えられます ブーゲー・ランベール
ここ R- 光の反射係数;
α - 光吸収係数。
光を通すために 強化された弱められるのではなく結晶を通過する場合、係数が α はゼロ未満でした。つまり、 熱力学的に平衡環境は不可能です。あらゆるレーザー (気体、液体、固体) を動作させるには、レーザーの動作環境が良好な状態である必要があります。 逆人口 –高エネルギー準位の電子の数が低エネルギー準位の電子の数よりも多い状態（この状態は「負の温度状態」とも呼ばれます）。 半導体における反転分布の状態を記述する関係を取得してみましょう。
させて ε1そして ε2 – 光結合された相互間のエネルギー準位。最初のエネルギー準位は半導体の価電子帯にあり、2 番目のエネルギー準位は半導体の伝導帯にあります (図 2)。 「光学的に結合」という用語は、それらの間の電子遷移が選択規則によって許可されることを意味します。 光の量子をエネルギーで吸収する hν12、電子は準位から移動します。 ε1レベルごと ε2。 このような遷移の速度は、最初のレベルにデータが入力される確率に比例します。 f 1、2 番目のレベルが空である確率: (1- f 2) および光子束密度 P(hν12)
上位レベルから下位レベルへの逆遷移は、次の 2 つの方法で発生します。 自発的そして 強制的組み換え。 2 番目のケースでは、光量子と ε 2 準位に位置する電子との相互作用により、電子が再結合するように「強制」されます。 排出光の量子、 同一強制的な組み換えのプロセスを引き起こしたもの。 それ。 光の増幅はシステム内で発生します。これがレーザーの動作の本質です。 自発的および強制的組換えの速度は次のように記述されます。
(3)
熱力学的平衡状態では
. (5)
条件 5 を使用すると、係数が 12時, 21時そして A21(「アインシュタイン係数」) は相互に関連しています。つまり、次のようになります。
, (6)
どこ n –半導体の屈折率。 と- 光の速度。
ただし、以下では自発的組換えは考慮しません。 自発的再結合の速度はレーザーの作動媒体内の光子束密度には依存せず、強制的再結合の速度は次のようになります。 大きな値 Р(hν 12）自発的組換えの速度を大幅に上回ります。 光の増幅が発生するには、強制的なトップダウン遷移の速度がボトムアップ遷移の速度を超える必要があります。
電子がエネルギーを持った準位を占める確率を書き留めた ε1そして ε2として
, (8)
半導体における逆分布の条件を得る
なぜなら レベル間の最小距離 ε1そして ε2ちょうど半導体のバンドギャップに等しい εg。この関係は次のように知られています ベルナールとデュラフールの関係。
式 9 には、いわゆる の値が含まれています。 準フェルミ準位- 伝導帯ごとにフェルミ準位を個別に表示 F Cと価電子帯 F V。 この状況は、非平衡状況でのみ可能です。より正確には、 準平衡システム。 両方の許容バンドでフェルミ準位 (満たされた電子と空の状態を分離する準位 (「はじめに」を参照)) を形成するには、次のことが必要です。 脈拍緩和時間数桁の大きさの電子と正孔があった 寿命が短い過剰な電荷キャリア:
結果として 非平衡一般に、電子と正孔のガスは組み合わせとして考えることができます。 平衡電子伝導ゾーンのガスと 平衡穴価電子帯のガス(図2)。
図２． 準位分布が反転した半導体のエネルギー図。 電子が満たされた状態は網掛けで示されています。
レーザーの動作環境 (この場合は半導体結晶内) に逆分布を作成する手順は次のように呼ばれます。 ポンピング。半導体レーザーは、光、高速電子ビーム、強力な高周波場、または半導体自体の衝撃イオン化によって外部から励起される可能性があります。 しかし、最も単純で、最も経済的であり、そして実際には、 最も一般的な半導体レーザーを励起する方法は 注射電荷キャリア 縮退したpn接合で(方法論マニュアル「半導体デバイスの物理学」、トンネル ダイオードを参照)。 このようなポンピングの原理は図 3 から明らかです。 エネルギー図熱力学的平衡状態におけるこのような遷移は、 大きな順バイアス。 p-n 接合に直接隣接する領域 d では、逆分布が実現されていることがわかります。準フェルミ準位間のエネルギー距離はバンド ギャップよりも大きいです。
図3. 退化する r-n 遷移熱力学的平衡状態（左）と大きな前方変位時（右）。
しかし、労働環境における逆人口の創出は、 必要、だけでなく、 十分条件ではないレーザー放射を生成します。 どのレーザーでも、特に半導体レーザーでは、デバイスに供給されるポンプパワーの一部が無駄に失われます。 そして、ポンピングパワーが一定の値を超えた場合にのみ、 世代のしきい値、レーザーは量子光増幅器として機能し始めます。 世代のしきい値を超えた場合:
・A) 急激に増加するデバイスから放出される放射線の強度（図4a）。
b) 先細りスペクトル ライン放射線（図4b）。
・c) 放射線は、 一貫性があり、焦点が絞られています。
図4． 電流がしきい値を超えると、半導体レーザーの強度が増加し（左）、発光スペクトル線が狭くなります（右）。
閾値のレーザー発振条件を達成するには、通常、レーザー作動媒体を次の場所に置きます。 光共振器。これ 光路長が伸びる作業環境における光ビームの調整、発振閾値の達成が容易になり、ビームの集束が促進されます。 半導体レーザーの光共振器にはさまざまな種類がありますが、最も一般的なのは最も単純な光共振器です。 ファブリペロー共振器– 2 つの平行平面ミラー、 垂直p-n遷移。 さらに、半導体結晶自体の研磨されたエッジは鏡として使用されます。
このような共振器を電磁波が通過することを考えてみましょう。 共振器の左側のミラーの透過率と反射係数を次のように仮定します。 t1そして r1、右（放射線が外に出る） - 後ろ t2そして r2; 共振器の長さ – L。 電磁波が外側から結晶の左側に落ちるとします。その方程式は次の形式で書かれます。
. (11)
左のミラー、結晶、右のミラーを通過すると、放射線の一部は結晶の右側から出て、一部は反射されて再び左側に進みます（図5）。
図5。 ファブリペロー共振器内の電磁波。
共振器内でのビームのさらなる経路、出射ビームと反射ビームの振幅が図から明らかです。 放出されるすべての電磁波の振幅を合計してみましょう クリスタルの右側から:
= (12).
結晶の左側の波の振幅が消え去るほど小さい場合でも、右側から現れるすべての波の振幅の合計がゼロに等しくないことが必要になります。 明らかに、これは、(12) の分数の分母がゼロになる傾向がある場合にのみ発生します。 ここから次のことが得られます。
, (13)
そして、光の強度、すなわち、 、 どこ R 1 , R 2 - ミラーの反射係数 - 結晶面の「強度別」、そしてさらに、最終的にレーザー発振閾値の比率を次のように書きます。
. (14)
(11) から、指数に含まれる 2G 係数は結晶の複素屈折率に関連していることがわかります。
(15) の右側で、最初の項は光波の位相を決定し、2 番目の項は振幅を決定します。 通常の熱力学的平衡媒体では、光の減衰 (吸収) が発生します。レーザーの活性作動媒体では、同じ関係が次の形式で記述されます。 
、 どこ g - ライトゲイン、および記号 αi指定された すべての損失ポンプエネルギーは、必ずしも光学的な性質だけのものではありません。 それから 振幅閾値条件は次のように書き換えられます。
または 
. (16)
したがって、次のように定義しました。 必要(9) と 十分な（１６）半導体レーザーの発生条件。 値が決まるとすぐに 得を超えます 損失最初の項 (16) によって決定される量だけ、レベルの母集団が逆の作業環境では、光が強まり始めます。 利得自体はポンプパワー、またはインジェクションレーザーの場合も同様ですが、その大きさに依存します。 動作電流。半導体レーザーの典型的な作業領域で 
動作電流に直線的に依存します
. (17)
(16) と (17) から 閾値電流我々が得る：
, (18)
それを通して〜する 私 0はいわゆる 「反転閾値」とは、半導体内の反転分布が達成される動作電流値です。 なぜなら 通常、(18) の最初の項は無視できます。
比例係数 β レーザー使用用 通常のp-nたとえば、GaAs からの遷移は、次の式を使用して計算できます。
, (19)
どこ EとΔ E –レーザー放射のスペクトル線の位置と半値幅。
式 18 を使用して計算すると、室温 T = 300 K で、このようなレーザーのしきい値電流密度の非常に高い値が得られます 5。 10 4 A/cm 2、つまり このようなレーザーは、適切な冷却または短パルス モードで動作させることができます。 したがって、上記のように、Zh.I. Alferovのグループによる1970年の作成のみです。 ヘテロ接合レーザー許可された 2桁減少する半導体レーザーのしきい値電流を制御し、最終的にこれらのデバイスがエレクトロニクス分野で広く使用されるようになりました。
これがどのようにして実現されたのかを理解するために、詳しく見てみましょう 損失構造半導体レーザーでは。 非具体的には、 すべてのレーザーに共通して、そして原則として 取り返しのつかない損失損失は～に帰すべきである 自発的な移行と損失 熱化。
自発的な遷移上のレベルから下のレベルへの変化は常に存在し、この場合に放出される光量子は位相と伝播方向にランダムな分布を持つため（それらは存在しません） 筋の通った) の場合、自発的に再結合する電子と正孔のペアの生成に対するポンプ エネルギーの消費は損失として分類される必要があります。
どのポンピング方法でも、準フェルミ準位のエネルギーよりも大きなエネルギーを持つ電子が半導体の伝導帯に投入されます。 F C。 これらの電子は、格子欠陥との衝突でエネルギーを失い、すぐに準フェルミレベルに低下します。このプロセスは、と呼ばれます。 熱化。電子が格子欠陥上で散乱するときに電子によって失われるエネルギーが熱化損失です。
に 部分的に取り外し可能損失には、 非放射再結合。 ダイレクトギャップ半導体では、通常、深い不純物準位が非発光再結合の原因となります（「均質半導体における光電効果」を参照）。 このような準位を形成する不純物を半導体結晶から注意深く洗浄すると、非発光再結合の可能性が減ります。
そして最後に、損失は 非共鳴吸収そしてさらに 漏れ電流製造にレーザーを使用することで大幅に削減できる ヘテロ構造。
不純物の組成と導電型のみが異なり、同一の半導体が接点の左右に配置される従来のpn接合とは異なり、ヘテロ構造では、接点の両側に異なる半導体が配置されます。 化学組成半導体。 これらの半導体は異なるバンドギャップを持っているため、接触点で電子の位置エネルギーに「ジャンプ」が発生します（「フック」タイプまたは「ウォール」タイプ（図6））。
図6. 熱力学的平衡状態（左）と動作モード（右）の両面ヘテロ構造に基づく注入レーザー。
半導体の導電型に応じて、ヘテロ構造は次のようになります。 同型の(p-P; n-N ヘテロ構造) および 異型(p-N; n-P ヘテロ構造)。 ヘテロ構造では、大文字は通常、より大きなバンドギャップを持つ半導体を示します。 すべての半導体が、それらをベースにした電子デバイスの作成に適した高品質のヘテロ構造を形成できるわけではありません。 界面の欠陥をできるだけ少なくするには、ヘテロ構造のコンポーネントが 同じ結晶構造そして、非常に 近い値格子定数。 A III B V 族の半導体の中で、この要件を満たす化合物は、GaAs-AlAs と GaSb-AlSb の 2 組だけです。 固溶体(「はじめに」を参照)、つまり GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga×Al1-×Sb。 半導体の組成を複雑にすることで、ヘテロ構造の作成に適した他のペア、たとえば、InP-In x Ga 1- x As y P 1- y を選択することが可能になります。 ＩｎＰ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ。 注入レーザーは、PbTe-Pb x Sn 1- x Te などの半導体化合物 A IV B VI に基づくヘテロ構造からも作られています。 PbSe-Pb x Sn 1- x Se - これらのレーザーはスペクトルの遠赤外領域で放射します。
損失 漏れ電流ヘテロレーザーでは、ヘテロ構造を形成する半導体のバンドギャップの違いにより、これをほぼ完全に排除することが可能です。 実際(図3)、逆分布の条件が満たされる従来のp-n接合付近の領域dの幅はわずか1μmですが、接合を通して注入された電荷キャリアははるかに大きな領域L n + で再結合します。幅１０μｍのＬ ｐ 。 この領域でのキャリアの再結合はコヒーレント発光には寄与しません。 で 両側性反転分布を有する N-p-P ヘテロ構造 (図 6) 領域 ナローギャップ半導体層の厚さと一致しますヘテロレーザーの中心にあります。 ほとんど全てワイドギャップ半導体からこの領域に注入される電子と正孔 そこで彼らは再結合します。ワイドギャップ半導体とナローギャップ半導体間の界面にある電位障壁は、電荷キャリアの「拡散」を防ぎ、従来の（図3）pn接合と比較してこのような構造の効率が劇的に向上します。
非平衡電子と正孔がナローギャップ半導体層に集中するだけでなく、 ほとんどが放射線。この現象が起こる理由は、ヘテロ構造を構成する半導体の屈折率の値が異なるためです。 一般に、ナローギャップ半導体の屈折率は高くなります。 したがって、2 つの半導体の境界に入射角を持つすべての光線は、
, (20)
受けるだろう 全内部反射。その結果、放射線は活性層に「ロック」され（図7）、これにより、活性層での損失が大幅に減少します。 非共鳴吸収(通常、これはいわゆる「無料の電荷キャリアによる吸収」です)。
図7。 ヘテロ構造内での光伝播中の光学的制限。 入射角が θ より大きい場合、ヘテロ構造を構成する半導体間の界面から全反射が発生します。
上記のすべてにより、ヘテロレーザーでの取得が可能になります。 巨大な光学ゲイン活性領域の微細な寸法: 活性層の厚さ、共振器長 
。 ヘテロレーザーは室温で動作します。 連続モード、そして特徴的な 動作電流密度 500 A/cm2 を超えないようにしてください。 発光スペクトル市販されているレーザーのほとんどは、作動媒体が次のとおりです。 ガリウムヒ素、スペクトルの近赤外領域に最大値を持つ細い線を表します 
ただし、可視光線を生成する半導体レーザーと、遠赤外線領域で放射するレーザーが開発されています。 
.
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導入
20 世紀後半の物理学の最も注目すべき成果の 1 つは、光量子発生器 (レーザー) という驚くべきデバイスの作成の基礎となる物理現象の発見でした。
レーザーは、指向性の高い光ビームを備えた単色コヒーレント光の光源です。
量子発生器は、科学技術のさまざまな分野における最新の成果を組み込んだ特別な種類の電子デバイスです。
ガスレーザーは、活性媒体がガス、複数のガスの混合物、またはガスと金属蒸気の混合物であるレーザーです。
ガスレーザーは、現在最も広く使用されているタイプのレーザーです。 さまざまなタイプのガスレーザーの中から、パルスモードでのスペクトルの可視領域での非常に高い出力を除いて、ほぼすべてのレーザー要件を満たすレーザーを見つけることが常に可能です。
材料の非線形光学特性を研究する場合、多くの実験には高出力が必要です。 現在のところ、ガスレーザーでは原子密度が十分に高くないため、高出力は得られていません。 ただし、他のほとんどすべての目的では、特定のタイプが見つかります。 ガスレーザー、両方の固体レーザーよりも優れた性能を発揮します。 光ポンピング、半導体レーザーなど。
ガス レーザーの大規模なグループはガス放電レーザーで構成されます。ガス放電レーザーでは、活性媒体は希薄ガス (圧力 1 ～ 10 mm Hg) であり、励起はグローまたはアークとなる放電によって実行され、生成されます。直流または高周波交流（10～50MHz）による。
ガス放電レーザーにはいくつかの種類があります。 イオン レーザーでは、イオンのエネルギー レベル間の電子遷移によって放射線が生成されます。 例としては、アーク放電を使用するアルゴン レーザーがあります。 直流.
原子遷移レーザーは、原子のエネルギー準位間の電子の遷移によって生成されます。 これらのレーザーは、0.4 ～ 100 μm の波長の放射線を生成します。 例としては、約 1 mm Hg の圧力下でヘリウムとネオンの混合物を動作させるヘリウム ネオン レーザーがあります。 美術。 ポンピングには、約 1000 V の定電圧によって生成されるグロー放電が使用されます。
ガス放電レーザーには、分子レーザーも含まれます。分子レーザーでは、分子のエネルギー準位間の電子遷移から放射線が発生します。 これらのレーザーは、0.2 ～ 50 μm の波長に対応する広い周波数範囲を備えています。
最も一般的な分子レーザーは二酸化炭素レーザー (CO 2 レーザー) です。 最大 10 kW の電力を生成でき、効率は約 40% とかなり高くなります。 通常、窒素、ヘリウム、その他のガスの不純物が主な二酸化炭素に添加されます。 励起には、直流または高周波グロー放電が使用されます。 二酸化炭素レーザーは、約 10 ミクロンの波長の放射線を生成します。
量子発生器の設計は、その性能特性を決定するさまざまなプロセスにより非常に手間がかかりますが、それにもかかわらず、炭酸ガスレーザーは多くの分野で使用されています。
CO 2 レーザーに基づいて、レーザー誘導システムと位置制御システムが開発され、正常に運用されています。 環境(ライダー)、レーザー溶接、金属および誘電材料の切断のための技術設備、ガラス表面のスクライビングのための設備、鋼製品の表面硬化。 CO2 レーザーは宇宙通信システムでも広く使用されています。
「光電子量子デバイスおよびデバイス」という分野の主な目的は、光通信システムで使用される最も重要な機器およびデバイスの物理的基礎、設計、動作原理、特性およびパラメータを研究することです。 これらには、量子発生器および増幅器、光変調器、光検出器、非線形光学素子およびデバイス、ホログラフィックおよび集積光学コンポーネントが含まれる。 このことから、このコース プロジェクトのトピックの関連性がわかります。
このコース プロジェクトの目的は、ガス レーザーについて説明し、ヘリウム ネオン レーザーを計算することです。
目標に従って、次のタスクが解決されます。
量子発生器の動作原理を研究する。
CO 2 レーザーの設計と動作原理の研究。
レーザーを扱う際の安全に関する文書を勉強する。
CO 2 レーザーの計算。
1 量子発生器の動作原理
量子発生器の動作原理は、強制（誘導）放射の効果を利用した電磁波の増幅に基づいています。 増幅は、外部放射線によって刺激され、励起された上面からの原子、分子、イオンの遷移中に内部エネルギーが放出されることによってもたらされます。 エネルギーレベル下のもの（下にあります）に移動します。 これらの強制遷移は光子によって引き起こされます。 光子エネルギーは次の式を使用して計算できます。
hν = E 2 - E 1、
ここで、E2 と E1 は上位レベルと下位レベルのエネルギーです。
h = 6.626∙10-34 J∙s – プランク定数。
ν = c/λ – 放射周波数、c – 光の速度、λ – 波長。
励起、または一般にポンピングと呼ばれているように、電気エネルギー源から直接、または光放射の流れによって実行されます。 化学反応、他の多くのエネルギー源。
熱力学的平衡の条件下では、粒子のエネルギー分布は物体の温度によって一意に決定され、ボルツマンの法則によって説明されます。これによると、エネルギーレベルが高くなるほど、特定の状態の粒子の濃度は低くなります。 、人口が少ないほど。
熱力学的平衡を乱すポンピングの影響下では、上層の人口が下層の人口を超えると、逆の状況が発生する可能性があります。 反転分布と呼ばれる状態が発生します。 この場合、誘導放射線が発生する間に、上のエネルギー準位から下のエネルギー準位への強制遷移の回数は、元の放射線の吸収を伴う逆遷移の回数を超えることになる。 誘導された放射線の伝播方向、位相、偏波は、影響を与える放射線の方向、位相、偏波と一致するため、その増幅効果が発生します。
誘導遷移により放射線が増幅される媒体は活性媒体と呼ばれます。 その増幅特性を特徴付ける主なパラメータは係数、または増幅指数 kν です。これは、相互作用空間の単位長さあたりの周波数 ν での放射線束の変化を決定するパラメータです。
活性媒体の増幅特性は、増幅された信号の一部が活性媒体に戻って再増幅されるときに、放射線物理学で知られる正のフィードバックの原理を適用することによって大幅に高めることができます。 ゲインが、有用な信号として使用される損失 (有用な損失) を含むすべての損失を超える場合、自己生成モードが発生します。
自己生成は、自発的な遷移の出現から始まり、利得と損失のバランスによって決定される特定の定常レベルまで発展します。
量子エレクトロニクスでは、特定の波長で正のフィードバックを作成するために、主にオープン共振器が使用されます。2 つのミラーからなるシステムで、そのうちの 1 つ（聴覚障害者）は完全に不透明で、もう 1 つ（出力）は半透明になります。
レーザーの発生領域は電磁波の光学範囲に相当するため、レーザー共振器は光共振器とも呼ばれます。
上記の要素を備えたレーザーの典型的な機能図を図 1 に示します。
ガスレーザーの設計の必須要素は、所定の圧力で特定の組成のガスがその体積内に存在するシェル（ガス放電管）でなければなりません。 シェルの端面は、レーザー放射に対して透明な材料で作られた窓で覆われています。 デバイスのこの機能部分はアクティブ要素と呼ばれます。 表面からの反射による損失を減らすために、窓はブリュースター角で取り付けられています。 このようなデバイスのレーザー放射は常に偏光されています。
能動素子は、能動素子の外側に設置された共振器ミラーとともにエミッタと呼ばれます。 共振器ミラーが能動素子のシェルの端に直接固定され、同時にガス体積を密閉するための窓の機能を実行するオプションが可能です（内部ミラーを備えたレーザー）。
活性媒体の利得の周波数依存性 (利得回路) は、動作中の量子遷移のスペクトル線の形状によって決まります。 レーザーの生成は、この回路内で整数の半波長がミラー間の空間に収まるような周波数でのみ発生します。 この場合、共振器内での前方波と後方波の干渉の結果、ミラー上にエネルギーノードを持ついわゆる定在波が形成されます。
共振器内の定在波の電磁場の構造は非常に多様です。 その特定の構成は通常、モードと呼ばれます。 周波数は異なるが、横方向の磁場分布が同じである振動は、縦（または軸）モードと呼ばれます。 それらは、共振器の軸に厳密に沿って伝播する波に関連しています。 横（または非軸）モードで、それぞれ横方向の磁場分布が互いに異なる振動。 それらは、軸に対してさまざまな小さな角度で伝播し、それに対応して波動ベクトルの横成分を有する波に関連しています。 さまざまなモードを表すために、TEMmn という略語が使用されます。 この表記では、m と n は、横方向の異なる座標に沿ったミラー上のフィールド変化の周期性を示す指数です。 レーザー動作中に基本（最低）モードのみが生成される場合、シングルモード動作モードと呼ばれます。 複数の横モードがある場合、そのモードはマルチモードと呼ばれます。 シングルモードモードで動作する場合、異なる数の縦モードを使用して複数の周波数で生成が可能です。 発振が 1 つの縦モードのみで発生する場合、単一周波数モードと呼ばれます。
図 1 – ガスレーザーの図。
この図では次の名称が使用されています。
- 光共振器ミラー。
- 光共振器窓。
- 電極;
- ガス放電管。
2 CO 2 レーザーの設計と動作原理
CO 2 レーザー デバイスの概略を図 2 に示します。
図 2 – CO2 レーザーの原理。
CO 2 レーザーの最も一般的なタイプの 1 つはガス ダイナミック レーザーです。 それらでは、ガスが20〜30気圧の圧力で1500 Kに予熱されるという事実により、レーザー放射に必要な逆分布が達成されます。 、作業室に入り、そこで膨張し、温度と圧力が急激に低下します。 このようなレーザーは、最大 100 kW の出力で連続放射を生成できます。
CO 2 レーザーの活性媒体 (いわゆる「ポンピング」) を生成するには、直流グロー放電が最もよく使用されます。 で 最近高周波放電の使用が増えています。 しかし、これは別のトピックです。 高周波放電と、この時代に発見された最も重要な応用 (レーザー技術だけでなく) については、別の記事で取り上げます。 について 一般原理放電 CO 2 レーザーの動作、この場合に生じる問題、および直流放電の使用に基づくいくつかの設計について説明します。
70 年代初頭、高出力 CO 2 レーザーの開発中に、放電がこれまで知られていなかった特徴と、レーザーにとって破壊的な不安定性を特徴とすることが明らかになりました。 これらは、高いレーザー出力を得るためにまさに必要とされる、高圧で大容量のプラズマを充填する試みに対して、ほとんど克服できない障害をもたらします。 おそらく、応用的な性質の問題の中で、高出力連続波 CO 2 レーザーの作成の問題ほど、ガス中の放電科学の進歩に貢献したものはありません。
CO 2 レーザーの動作原理を考えてみましょう。
ほとんどすべてのレーザーの活性媒体は、特定のレベルのペアの特定の分子または原子に反転分布が作成される可能性がある物質です。 これは、放射線レーザー遷移に対応する上部の量子状態にある分子の数が、下部の量子状態にある分子の数を超えていることを意味します。 通常の状況とは異なり、このような媒体を通過する光線は吸収されずに増幅されるため、放射線が発生する可能性が高まります。
知っていましたか、
思考実験、ゲダンケン実験とは？
これは存在しない実践であり、別世界の経験であり、実際には存在しないものの想像です。 思考実験は白昼夢のようなものです。 彼らはモンスターを生み出します。 仮説の実験的テストである物理的実験とは異なり、「思考実験」は実験的テストを実際にはテストされていない望ましい結論に魔法のように置き換え、証明されていない前提を証明された前提として使用することによって実際に論理自体に違反する論理構造を操作します。つまり、置換によるものです。 したがって、「思考実験」の申請者の主な任務は、実際の物理実験をその「人形」、つまり物理的な検証自体を行わずに仮釈放中の架空の推論に置き換えることによって、聞き手または読者を欺くことです。
物理学を想像上の「思考実験」で満たすことは、不条理で超現実的で混乱した世界像の出現につながりました。 本物の研究者は、そのような「キャンディーの包み紙」を実際の値から区別する必要があります。
相対主義者と実証主義者は、「思考実験」は理論（これも私たちの頭の中で生じたもの）の一貫性をテストするのに非常に役立つツールであると主張します。 検証は検証の対象から独立したソースによってのみ実行できるため、この点で彼らは人々を欺きます。 仮説の申請者自身は、自分自身の陳述をテストすることはできません。なぜなら、この陳述自体の理由は、申請者の目に見える陳述に矛盾がないことだからです。
これは、科学と科学を支配する独特のタイプの宗教と化した SRT と GTR の例でわかります。 世論。 矛盾する事実がどれだけあっても、アインシュタインの公式「事実が理論に対応しない場合は、事実を変更せよ」を克服することはできません（別のバージョンでは、「事実は理論に対応していませんか？ - 事実にとってはさらに悪いことです）」 ”）。
「思考実験」が主張できる最大値は、申請者自身の、多くの場合決して真実ではない論理の枠組み内での仮説の内部一貫性だけです。 これは慣行への準拠をチェックするものではありません。 本当の検証は、実際の物理実験でのみ行うことができます。
実験が実験であるのは、それが思考の洗練ではなく、思考のテストであるからです。 自己矛盾のない思考は、それ自体を検証することができません。 これはクルト・ゲーデルによって証明されました。