Pusvadītāju injekcijas lāzers. Kursa darbs pusvadītāju lāzers Pusvadītāju lāzera aprēķins un projektēšana

pusvadītāju injekcijas lāzeri, tāpat kā cita veida cietvielu izstarotāji - gaismas diodes, ir vissvarīgākais jebkuras optoelektroniskās sistēmas elements. Abu ierīču darbības pamatā ir parādība elektroluminiscence. Saistībā ar iepriekšminētajiem pusvadītāju emitētājiem elektroluminiscences mehānisms tiek realizēts ar starojuma rekombinācija cauri ievadīti nelīdzsvara lādiņnesēji p-n krustojums.

Pirmās gaismas diodes parādījās divdesmitā gadsimta 50. un 60. gadu mijā un jau 1961. gadā. N.G. Basovs, O.N. Krokhins un Ju.M. Popovs ierosināja izmantot injekciju deģenerētos p-n krustojumos, lai iegūtu lāzera efektu. 1962. gadā amerikāņu fiziķi R. Hols un citi. Bija iespējams reģistrēt pusvadītāju gaismas diodes spektrālās emisijas līnijas sašaurināšanos, kas tika interpretēta kā lāzera efekta izpausme (“superradiācija”). 1970. gadā krievu fiziķi - Zh.I. Alferovs un citi. tapa pirmie heterostruktūras lāzeri. Tas ļāva padarīt ierīces piemērotas masveida sērijveida ražošanai, kam 2000. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. Pašlaik pusvadītāju lāzeri visplašāk tiek izmantoti galvenokārt ierīcēs informācijas ierakstīšanai un nolasīšanai no datora, audio un video kompaktdiskiem. Pusvadītāju lāzeru galvenās priekšrocības ir:

1. Ekonomisks, nodrošina augsta sūkņa enerģijas pārvēršanas efektivitāte koherentā starojuma enerģijā;

2. Zema inerce,īso raksturīgo laiku dēļ ģenerēšanas režīma izveidošanai (~ 10 -10 s);

3. Kompaktums, saistīta ar pusvadītāju īpašību nodrošināt milzīgu optisko pastiprinājumu;

4. Vienkārša ierīce zemsprieguma barošanas avots, savietojamība ar integrālajām shēmām (“mikroshēmām”);

5. Iespēja vienmērīga viļņa garuma regulēšana plašā diapazonā, jo pusvadītāju optiskās īpašības ir atkarīgas no temperatūras, spiediena utt.

Galvenā iezīme tajos tiek izmantoti pusvadītāju lāzeri optiskās pārejas iesaistot enerģijas līmeņus (enerģijas stāvokļus) galvenās elektroniskās enerģijas zonas kristāls. Šī ir atšķirība starp pusvadītāju lāzeriem un, piemēram, rubīna lāzeriem, kas izmanto optiskās pārejas starp hroma jona Cr 3+ piemaisījumu līmeņiem Al 2 O 3 . Izmantošanai pusvadītāju lāzeros vispiemērotākie izrādījās pusvadītāju savienojumi A III B V (sk. Ievadu). Tas ir, pamatojoties uz šiem savienojumiem un to cietie šķīdumi Lielāko daļu pusvadītāju lāzeru ražo rūpniecība. Daudzos šīs klases pusvadītāju materiālos lieko strāvas nesēju rekombināciju veic ar tiešā veidā optiskās pārejas starp piepildītajiem stāvokļiem vadīšanas joslas apakšdaļā un brīvajiem stāvokļiem valences joslas augšpusē (1. att.). Liela optisko pāreju iespējamība tieša sprauga pusvadītāji un liels stāvokļu blīvums joslās ļauj iegūt augsts optiskais pastiprinājums pusvadītājā.

1. att. Fotonu emisija starojuma rekombinācijas laikā tiešās spraugas pusvadītājā ar apgrieztu populāciju.

Apskatīsim pusvadītāju lāzera darbības pamatprincipus. Ja pusvadītāju kristāls atrodas stāvoklī termodinamiskais līdzsvars ar vidi, tad viņš ir tikai spējīgs absorbēt radiācijas incidents uz to. Gaismas intensitāte, kas šķērso kristāla attālumu X, tiek dota ar zināmo attiecību Būgārs-Lamberts

Šeit R- gaismas atstarošanas koeficients;

α - gaismas absorbcijas koeficients.

Lai ļautu gaismai pastiprināta iet cauri kristālam, nevis tiek novājināta, ir nepieciešams, lai koeficients α bija mazāks par nulli, kas ir termodinamiski līdzsvara vide nav iespējama. Lai jebkurš lāzers (gāzes, šķidrums, cietvielu) darbotos, ir nepieciešams, lai lāzera darba vide būtu stāvoklī apgrieztā populācija - stāvoklis, kurā elektronu skaits augstos enerģijas līmeņos būtu lielāks nekā zemākos enerģijas līmeņos (šo stāvokli sauc arī par “negatīvās temperatūras stāvokli”). Iegūsim sakarību, kas apraksta stāvokli ar apgrieztu populāciju pusvadītājos.

Ļaujiet ε 1 Un ε 2 – optiski savienots enerģijas līmeņi savā starpā, no kuriem pirmais atrodas valences joslā, bet otrais – pusvadītāja vadītspējas joslā (2. att.). Termins “optiski savienots” nozīmē, ka elektronu pārejas starp tām ir atļautas ar atlases noteikumiem. Absorbējot gaismas kvantu ar enerģiju hν 12, elektrons pārvietojas no līmeņa ε 1 katrā līmenī ε 2. Šādas pārejas ātrums būs proporcionāls pirmā līmeņa aizpildīšanas varbūtībai f 1, varbūtība, ka otrais līmenis ir tukšs: (1- f 2) un fotonu plūsmas blīvumu P(hν 12)

Apgrieztā pāreja - no augšējā līmeņa uz zemāko, var notikt divos veidos - sakarā ar spontāni Un piespiedu kārtā rekombinācija. Otrajā gadījumā gaismas kvanta mijiedarbība ar elektronu, kas atrodas ε 2 līmenī, “piespiež” elektronu rekombinēties ar emisija gaismas kvants, identisks tas, kas izraisīja piespiedu rekombinācijas procesu. Tas. Sistēmā notiek gaismas pastiprināšana, kas ir lāzera darbības būtība. Spontānas un piespiedu rekombinācijas rādītāji tiks rakstīti šādi:

(3)

Termodinamiskā līdzsvara stāvoklī

. (5)

Izmantojot 5. nosacījumu, var parādīt, ka koeficienti 12. plkst, 21. plkst Un A 21(“Einšteina koeficienti”) ir saistīti viens ar otru, proti:

, (6)

Kur n – pusvadītāju refrakcijas indekss; Ar- gaismas ātrums.

Tomēr turpmāk mēs neņemsim vērā spontānu rekombināciju, jo spontānas rekombinācijas ātrums nav atkarīgs no fotonu plūsmas blīvuma lāzera darba vidē, un piespiedu rekombinācijas ātrums būs lielās vērtībās Р(hν 12) ievērojami pārsniedz spontānas rekombinācijas ātrumu. Lai notiktu gaismas pastiprināšana, piespiedu no augšas uz leju pāreju ātrumam ir jāpārsniedz pāreju no apakšas uz augšu ātrums:

Pierakstījis varbūtību, ka elektroni aizņems līmeņus ar enerģiju ε 1 Un ε 2 kā

, (8)

mēs iegūstam nosacījumu apgrieztajai populācijai pusvadītājos

jo minimālais attālums starp līmeņiem ε 1 Un ε 2 tieši vienāda ar pusvadītāja joslas spraugu εg.Šīs attiecības ir pazīstamas kā Bernarda un Durafūra attiecības.

Formulā 9 ir iekļautas tā sauktās vērtības. kvazi-Fermi līmeņi- Fermi līmeņi atsevišķi vadītspējas joslai F C un valences josla F V. Šī situācija ir iespējama tikai nelīdzsvara situācijai vai precīzāk, priekš kvazi līdzsvars sistēmas. Lai veidotu Fermi līmeņus abās atļautajās joslās (līmeņos, kas atdala elektronu piepildītos un tukšos stāvokļus (sk. Ievadu)), ir nepieciešams, pulsa relaksācijas laiks bija vairākas elektronu un caurumu kārtas mazāks mūžs lieko lādiņu nesēji:

Rezultātā nelīdzsvarotība kopumā elektronu caurumu gāzi var uzskatīt par kombināciju līdzsvara elektroniskā gāze vadīšanas zonā un līdzsvara caurums gāze valences joslā (2. att.).

2. att. Pusvadītāja enerģijas diagramma ar apgrieztu līmeņa populāciju. Ar elektroniem piepildītie stāvokļi ir iekrāsoti.

Procedūru apgrieztās populācijas izveidošanai lāzera darba vidē (mūsu gadījumā pusvadītāju kristālā) sauc. sūknēšana. Pusvadītāju lāzerus no ārpuses var sūknēt ar gaismu, ātru elektronu staru, spēcīgu radiofrekvenču lauku vai triecienjonizāciju pašā pusvadītājā. Bet visvienkāršākais, ekonomiskākais un, pateicoties faktam, visbiežāk veids, kā sūknēt pusvadītāju lāzerus, ir injekcija lādiņu nesēji deģenerētā p-n krustojumā(skat. metodisko rokasgrāmatu “Pusvadītāju ierīču fizika”; tuneļdiode). Šādas sūknēšanas princips ir skaidrs no 3. att., kur enerģijas diagrammašāda pāreja termodinamiskā līdzsvara stāvoklī un plkst liela novirze uz priekšu. Var redzēt, ka reģionā d, kas atrodas tieši blakus p-n krustojumam, tiek realizēta apgrieztā populācija - enerģijas attālums starp kvazi-Fermi līmeņiem ir lielāks par joslas spraugu.

3. att. Deģenerēts pn krustojums termodinamiskā līdzsvara stāvoklī (pa kreisi) un ar lielu novirzi uz priekšu (pa labi).

Tomēr apgrieztās populācijas radīšana darba vidē ir nepieciešams, bet arī nav pietiekams nosacījums lai radītu lāzera starojumu. Jebkurā lāzerā un jo īpaši pusvadītāju lāzerā daļa no ierīcei piegādātās sūkņa jaudas tiks bezjēdzīgi zaudēta. Un tikai tad, kad sūknēšanas jauda pārsniedz noteiktu vērtību - paaudzes slieksnis, lāzers sāk darboties kā kvantu gaismas pastiprinātājs. Kad tiek pārsniegts paaudzes slieksnis:

· A) strauji palielinās ierīces izstarotā starojuma intensitāte (4.a zīm.);

b) konusveida spektrāls līniju starojums (4.b att.);

· c) starojums kļūst saskaņota un šauri fokusēta.

4. att. Pusvadītāju lāzera intensitātes palielināšanās (pa kreisi) un emisijas spektrālās līnijas sašaurināšanās (pa labi), ja strāva pārsniedz sliekšņa vērtību.

Lai sasniegtu sliekšņa lāzera apstākļus, lāzera darba vide parasti tiek ievietota optiskais rezonators.Šis palielina optiskā ceļa garumu no gaismas stara darba vidē, atvieglo lāzera sliekšņa sasniegšanu, veicina labāku stara fokusēšanu utt. No dažādiem optisko rezonatoru veidiem pusvadītāju lāzeros visizplatītākais ir visvienkāršākais. Fabri-Perota rezonators– divi plakni paralēli spoguļi, kas ir perpendikulāri pn krustojumam. Turklāt paša pusvadītāju kristāla pulētās malas tiek izmantotas kā spoguļi.

Apskatīsim elektromagnētiskā viļņa pāreju caur šādu rezonatoru. Pieņemsim rezonatora kreisā spoguļa caurlaidības un atstarošanas koeficientu t 1 Un r 1, pa labi (caur kuru iziet starojums) - aiz t 2 Un r 2; rezonatora garums - L. Ļaujiet elektromagnētiskajam vilnim nokrist uz kristāla kreiso pusi no ārpuses, kura vienādojums tiks uzrakstīts šādā formā:

. (11)

Izejot caur kreiso spoguli, kristālu un labo spoguli, daļa starojuma iznāks caur kristāla labo pusi, un daļa tiks atspoguļota un atkal iet uz kreiso pusi (5. att.).

5. att. Elektromagnētiskais vilnis Fabri-Perot rezonatorā.

No attēla ir skaidri redzams staru kūļa tālākais ceļš rezonatorā, topošo un atstaroto staru kūļa amplitūdas. Apkoposim visu atbrīvoto elektromagnētisko viļņu amplitūdas caur kristāla labo pusi:

= (12).

Mēs pieprasīsim, lai visu viļņu amplitūdu summa, kas izplūst caur labo pusi, nebūtu vienāda ar nulli pat ar izzūdoši mazu viļņa amplitūdu kristāla kreisajā pusē. Acīmredzot tas var notikt tikai tad, ja (12) daļas saucējam ir tendence uz nulli. No šejienes mēs iegūstam:

, (13)

un ņemot vērā to, ka gaismas intensitāte, t.i.; , Kur R 1 , R 2 - spoguļu atstarošanas koeficienti - kristāla virsmas "pēc intensitātes", un turklāt mēs beidzot rakstīsim attiecību pret lāzera slieksni kā:

. (14)

No (11) izriet, ka eksponentā iekļautais 2G faktors ir saistīts ar kristāla komplekso refrakcijas indeksu:

(15) labajā pusē pirmais termins nosaka gaismas viļņa fāzi, bet otrais - amplitūdu. Parastā, termodinamiski līdzsvara vidē notiek gaismas vājināšanās (absorbcija), lāzera aktīvajā darba vidē tādas pašas attiecības jāraksta formā , Kur g - gaismas ieguvums, un simbolu αi norādīts visi zaudējumi sūkņa enerģija, ne vienmēr tikai optiska rakstura. Tad amplitūdas sliekšņa stāvoklis tiks pārrakstīts šādi:

vai . (16)

Tādējādi mēs esam definējuši nepieciešams(9) un pietiekams(16) nosacījumi pusvadītāju lāzera ģenerēšanai. Tiklīdz vērtība iegūt pārsniegs zaudējumiem par summu, ko nosaka pirmais termins (16), darba vidē ar apgrieztu līmeņu populāciju gaisma sāks pastiprināties. Pastiprinājums pats par sevi būs atkarīgs no sūkņa jaudas vai, kas ir tāds pats kā injekcijas lāzeriem, no lieluma darba strāva. Pusvadītāju lāzeru tipiskajā darba zonā un lineāri atkarīgs no darba strāvas

. (17)

No (16) un (17) par sliekšņa strāva mēs iegūstam:

, (18)

kur cauri es 0 apzīmē tā saukto “inversijas slieksnis” ir darbības strāvas vērtība, pie kuras tiek sasniegta apgrieztā populācija pusvadītājā. Jo parasti pirmo terminu (18) var neņemt vērā.

Proporcionalitātes faktors β lāzeram, izmantojot parasto p-n savienojumu un izgatavots, piemēram, no GaAs, var aprēķināt, izmantojot formulu

, (19)

Kur E un Δ E – lāzera starojuma spektrālās līnijas pozīcija un pusplatums.

Aprēķins, izmantojot formulu 18, dod istabas temperatūrā T = 300 K šādam lāzeram ļoti lielas strāvas blīvuma 5 sliekšņa vērtības. 10 4 A/cm 2, t.i. Šādus lāzerus var darbināt vai nu ar labu dzesēšanu, vai īsu impulsu režīmā. Tāpēc, kā minēts iepriekš, tikai Zh.I. Alferova grupas izveide 1970. gadā heterojunkcijas lāzeri atļauts samazināt par 2 kārtām pusvadītāju lāzeru sliekšņa strāvas, kas galu galā noveda pie šo ierīču plašas izmantošanas elektronikā.

Lai saprastu, kā tas tika sasniegts, apskatīsim to tuvāk zaudējumu struktūra pusvadītāju lāzeros. Uz nekonkrētu, kopīgs visiem lāzeriem, un principā neatgriezeniski zaudējumi zaudējumi ir jāattiecina uz spontānas pārejas un zaudējumi tālāk termoizācija.

Spontānas pārejas no augšējā līmeņa uz zemāko līmeni vienmēr būs klāt, un tā kā šajā gadījumā izstarotajiem gaismas kvantiem būs nejaušs sadalījums fāzē un izplatīšanās virzienā (tie nebūs saskaņota), tad sūkņa enerģijas patēriņš spontāni rekombinējošu elektronu caurumu pāru ģenerēšanai jāklasificē kā zudumi.

Izmantojot jebkuru sūknēšanas metodi, pusvadītāja vadītspējas joslā tiks iemesti elektroni, kuru enerģija ir lielāka par kvazi-Fermi līmeņa enerģiju. F C. Šie elektroni, zaudējot enerģiju sadursmēs ar režģa defektiem, ātri nokrītas līdz kvazi-Fermi līmenim - process, ko sauc termoizācija. Enerģija, ko pazaudē elektroni, kad tie ir izkliedēti uz režģa defektiem, ir termizācijas zudumi.

UZ daļēji noņemams zaudējumi var ietvert zaudējumus par neradiatīva rekombinācija. Tiešās spraugas pusvadītājos dziļi piemaisījumu līmeņi parasti ir atbildīgi par neradiatīvu rekombināciju (sk. “Fotoelektriskais efekts homogēnos pusvadītājos”). Rūpīga pusvadītāju kristāla tīrīšana no piemaisījumiem, kas veido šādus līmeņus, samazina neradiatīvas rekombinācijas iespējamību.

Un visbeidzot, zaudējumi nerezonanses absorbcija un tālāk noplūdes strāvas var ievērojami samazināt, ražošanā izmantojot lāzerus heterostruktūras.

Atšķirībā no parastajiem p-n krustojumiem, kur pa labi un pa kreisi no kontaktpunkta atrodas identiski pusvadītāji, kas atšķiras tikai ar piemaisījumu sastāvu un vadītspējas veidu, heterostruktūrās abās kontakta pusēs atrodas dažāda ķīmiskā sastāva pusvadītāji. Šiem pusvadītājiem ir dažādas joslu spraugas, tāpēc saskares punktā notiks elektrona potenciālās enerģijas “lēciens” (“āķa” vai “sienas” tipa (6. att.)).

6. att. Injekcijas lāzers, kura pamatā ir divpusēja heterostruktūra termodinamiskā līdzsvara stāvoklī (pa kreisi) un darbības režīmā (pa labi).

Atkarībā no pusvadītāju vadītspējas veida heterostruktūras var būt izotipisks(p-P; n-N heterostruktūras) un anizotipisks(p-N; n-P heterostruktūras). Heterostruktūrās lielie burti parasti apzīmē pusvadītāju ar lielāku joslas atstarpi. Ne visi pusvadītāji spēj veidot augstas kvalitātes heterostruktūras, kas piemērotas elektronisku ierīču izveidei, pamatojoties uz tiem. Lai saskarne saturētu pēc iespējas mazāk defektu, heterostruktūras komponentiem jābūt tāda pati kristāla struktūra un ļoti tuvas vērtības režģa konstante. Starp A III B V grupas pusvadītājiem šai prasībai atbilst tikai divi savienojumu pāri: GaAs-AlAs un GaSb-AlSb un to cietie šķīdumi(skat. Ievadu), t.i. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Sarežģot pusvadītāju sastāvu, iespējams izvēlēties citus heterostruktūru veidošanai piemērotus pārus, piemēram, InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- g. Injekcijas lāzeri ir izgatavoti arī no heterostruktūrām, kuru pamatā ir pusvadītāju savienojumi A IV B VI, piemēram, PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se – šie lāzeri izstaro tālajā infrasarkanajā spektra reģionā.

Zaudējumi uz noplūdes strāvas heterolāzeros to ir iespējams gandrīz pilnībā novērst, pateicoties heterostruktūru veidojošo pusvadītāju joslu atstarpēm. Patiešām (3. att.) apgabala d platums pie parastā p-n krustojuma, kur ir izpildīts apgrieztās populācijas nosacījums, ir tikai 1 μm, savukārt caur krustojumu ievadītie lādiņnesēji rekombinējas daudz lielākā reģionā L n + L p ar platumu 10 μm . Nesēju rekombinācija šajā reģionā neveicina saskaņotu emisiju. IN divpusējs N-p-P heterostruktūras (6. att.) reģions ar apgrieztu populāciju sakrīt ar šauras spraugas pusvadītāju slāņa biezumu heterolāzera centrā. Gandrīz viss elektroni un caurumi, kas ievadīti šajā reģionā no platas spraugas pusvadītājiem tur viņi pārkombinējas. Potenciālie šķēršļi saskarnē starp platas spraugas un šauras spraugas pusvadītājiem neļauj lādiņa nesējiem "izplatīties", kas krasi palielina šādas struktūras efektivitāti salīdzinājumā ar parasto (3. att.) p-n savienojumu.

Šaurspraugas pusvadītāja slānī tiks koncentrēti ne tikai nelīdzsvara elektroni un caurumi, bet arī lielākā daļa starojuma.Šīs parādības iemesls ir tas, ka pusvadītāji, kas veido heterostruktūru, atšķiras pēc to refrakcijas indeksa vērtības. Parasti laušanas koeficients ir augstāks šauras spraugas pusvadītājiem. Tāpēc visiem stariem ir krišanas leņķis uz divu pusvadītāju robežas

, (20)

tiks pakļauts kopējā iekšējā atspulga. Līdz ar to starojums tiks “ieslēgts” aktīvajā slānī (7. att.), kas būtiski samazinās zudumus nerezonanses absorbcija(parasti tā ir tā sauktā “absorbcija, ko veic brīvie lādiņnesēji”).

7. att. Optiskais ierobežojums gaismas izplatīšanās laikā heterostruktūrā. Krituma leņķī, kas ir lielāks par θ, kopējā iekšējā atstarošanās notiek no saskarnes starp pusvadītājiem, kas veido heterostruktūru.

Visu iepriekš minēto ļauj iegūt heterolāzeros milzīgs optiskais pastiprinājums ar aktīvās zonas mikroskopiskiem izmēriem: aktīvā slāņa biezums, rezonatora garums . Heterolazeri darbojas istabas temperatūrā nepārtraukts režīms, un raksturīgs darba strāvas blīvums nepārsniedz 500 A/cm2. Emisijas spektrs lielākā daļa komerciāli ražoto lāzeru, kuros ir darba vide gallija arsenīds, apzīmē šauru līniju ar maksimumu tuvajā infrasarkanajā spektra reģionā , lai gan ir izstrādāti pusvadītāju lāzeri, kas rada redzamu starojumu, un lāzeri, kas izstaro tālajā infrasarkanajā reģionā ar .

Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu

Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.

Līdzīgi dokumenti

Elektromagnētiskās enerģijas impulsa izplatīšanās pa gaismas vadu. Intermode dispersija daudzmodu šķiedrās. Intramode dispersijas noteikšana. Materiāls un viļņvada dispersija vienmoda šķiedras gaismas vadotnē. Nulles dispersijas viļņa garums.

tests, pievienots 18.05.2011


Injekcijas sūknēšanas mehānisms. Nobīdes sprieguma lielums. Pusvadītāju lāzeru un to grupu galvenie raksturlielumi. Tipisks pusvadītāju lāzera emisijas spektrs. Sliekšņa strāvu vērtības. Lāzera starojuma jauda impulsa režīmā.

prezentācija, pievienota 19.02.2014


Optiskās šķiedras sistēmas (FOLS) reģenerācijas sekcijas garuma aprēķins informācijas pārraidei pēc dotajiem sistēmas enerģijas potenciāla parametriem un izkliedes šķiedru gaismas vadotnēs. Optisko sakaru līniju ātruma novērtējums. Joslas platuma definīcija.

tests, pievienots 29.05.2014


Erbija optiskie signālu pastiprinātāji. Šķiedru pastiprinātāju parametri. Signāla izejas jauda un sūkņa energoefektivitāte. Pastiprinājuma joslas platums un vienmērīgums. Pusvadītāju sūkņu lāzers "LATUS-K". Sūkņa lāzera dizains.

diplomdarbs, pievienots 24.12.2015


Projekta izstrādes stadijas un īstenošanas perspektīvas, lai izveidotu zemu izmaksu lāzeru kompleksu uz pusvadītāju lāzera bāzes, kas paredzēts organisko materiālu apstrādei. Fotodetektora galveno parametru un raksturlielumu izpēte.

kursa darbs, pievienots 15.07.2015


Pusvadītāju lāzera struktūras aprēķins, pamatojoties uz trešās un piektās grupas savienojumiem trešās paaudzes optisko šķiedru sakaru līnijām. Kristāla struktūras izvēle. Parametru aprēķins, DFB rezonators, iekšējā kvantu izeja, optiskā norobežošana.

kursa darbs, pievienots 05.11.2015


Optisko šķiedru kabeļa novietošana, izmantojot SDH sinhronās digitālās hierarhijas (SDH) aprīkojumu, nevis sablīvēto K-60p sistēmu, sadaļā Dzhetygara - Komsomolets. Pusvadītāju lāzera maksimāli pieļaujamo starojuma līmeņu aprēķins.

diplomdarbs, pievienots 06.11.2014


Plaknes viļņa biežums divu mediju saskarnē, viļņu pretestības un lauka komponentu attiecība. Polarizēto viļņu izplatīšanās metāla šķiedrā, to iespiešanās dziļuma aprēķināšana. Lauka noteikšana dielektriskā gaismas vadotnē.

kursa darbs, pievienots 06.07.2011

Ievads

Viens no ievērojamākajiem fizikas sasniegumiem divdesmitā gadsimta otrajā pusē bija fizisku parādību atklāšana, kas kalpoja par pamatu pārsteidzošas optiskā kvantu ģeneratora jeb lāzera ierīces radīšanai.

Lāzers ir monohromatiskas koherentas gaismas avots ar ļoti direktīvu gaismas staru.

Kvantu ģeneratori ir īpaša elektronisko ierīču klase, kas ietver vismodernākos sasniegumus dažādās zinātnes un tehnoloģiju jomās.

Gāzes lāzeri ir tie, kuros aktīvā vide ir gāze, vairāku gāzu maisījums vai gāzu maisījums ar metāla tvaikiem.

Gāzes lāzeri ir mūsdienās visplašāk izmantotais lāzera veids. Starp dažādiem gāzes lāzeru veidiem vienmēr ir iespējams atrast lāzeru, kas apmierinās gandrīz visas lāzera prasības, izņemot ļoti lielu jaudu redzamajā spektra apgabalā impulsa režīmā.

Liela jauda ir nepieciešama daudziem eksperimentiem, pētot materiālu nelineārās optiskās īpašības. Šobrīd gāzes lāzeros lielas jaudas nav iegūtas tādēļ, ka atomu blīvums tajos nav pietiekami augsts. Tomēr gandrīz visiem citiem mērķiem var atrast konkrētu gāzes lāzera veidu, kas būs pārāks gan par optiski sūknējamiem cietvielu lāzeriem, gan pusvadītāju lāzeriem.

Lielu gāzu lāzeru grupu veido gāzizlādes lāzeri, kuros aktīvā vide ir reta gāze (spiediens 1–10 mm Hg), un sūknēšana tiek veikta ar elektrisko izlādi, kas var būt svelme vai loka un tiek izveidota. ar līdzstrāvu vai augstfrekvences maiņstrāvu (10–50 MHz).

Ir vairāki gāzizlādes lāzeru veidi. Jonu lāzeros starojumu rada elektronu pārejas starp jonu enerģijas līmeņiem. Piemērs ir argona lāzers, kas izmanto līdzstrāvas loka izlādi.

Atomu pārejas lāzerus ģenerē elektronu pārejas starp atomu enerģijas līmeņiem. Šie lāzeri rada starojumu ar viļņa garumu 0,4–100 μm. Piemērs ir hēlija-neona lāzers, kas darbojas ar hēlija un neona maisījumu zem spiediena aptuveni 1 mm Hg. Art. Sūknēšanai tiek izmantota kvēlizlāde, ko rada pastāvīgs aptuveni 1000 V spriegums.

Gāzizlādes lāzeri ietver arī molekulāros lāzerus, kuros starojums rodas no elektronu pārejām starp molekulu enerģijas līmeņiem. Šiem lāzeriem ir plašs frekvenču diapazons, kas atbilst viļņu garumiem no 0,2 līdz 50 µm.

Visizplatītākais molekulārais lāzers ir oglekļa dioksīds (CO 2 lāzers). Tas var ražot jaudu līdz 10 kW, un tā efektivitāte ir diezgan augsta - aptuveni 40%. Galvenajam oglekļa dioksīdam parasti tiek pievienoti slāpekļa, hēlija un citu gāzu piemaisījumi. Sūknēšanai tiek izmantota līdzstrāva vai augstfrekvences kvēlizlāde. Oglekļa dioksīda lāzers rada starojumu, kura viļņa garums ir aptuveni 10 mikroni.

Kvantu ģeneratoru projektēšana ir ļoti darbietilpīga, jo ir daudz dažādu procesu, kas nosaka to darbības raksturlielumus, taču, neskatoties uz to, oglekļa dioksīda gāzes lāzeri tiek izmantoti daudzās jomās.

Pamatojoties uz CO 2 lāzeriem, ir izstrādātas un veiksmīgi tiek izmantotas lāzera vadības sistēmas, uz atrašanās vietu balstītas vides monitoringa sistēmas (lidari), tehnoloģiskās iekārtas lāzermetināšanai, metālu un dielektrisko materiālu griešanai, stikla virsmu noslīpēšanas un tērauda izstrādājumu virsmas rūdīšanas iekārtas. operēts. CO2 lāzeri tiek plaši izmantoti arī kosmosa sakaru sistēmās.

Disciplīnas “Optoelektroniskās kvantu ierīces un ierīces” galvenais mērķis ir izpētīt optisko sakaru sistēmās izmantojamo svarīgāko instrumentu un ierīču fiziskos pamatus, konstrukciju, darbības principus, raksturlielumus un parametrus. Tajos ietilpst kvantu ģeneratori un pastiprinātāji, optiskie modulatori, fotodetektori, nelineāri optiskie elementi un ierīces, hologrāfiskie un integrētie optiskie komponenti. Tas nozīmē šī kursa projekta tēmas atbilstību.

Šī kursa projekta mērķis ir aprakstīt gāzes lāzerus un aprēķināt hēlija-neona lāzeru.

Atbilstoši mērķim tiek atrisināti šādi uzdevumi:

Kvantu ģeneratora darbības principa izpēte;

CO 2 lāzera uzbūves un darbības principa izpēte;

Izpētīt drošības dokumentāciju, strādājot ar lāzeriem;

CO 2 lāzera aprēķins.

1 Kvantu ģeneratora darbības princips

Kvantu ģeneratoru darbības princips ir balstīts uz elektromagnētisko viļņu pastiprināšanu, izmantojot piespiedu (inducētā) starojuma efektu. Pastiprinājumu nodrošina iekšējās enerģijas izdalīšanās atomu, molekulu un jonu pāreju laikā, ko stimulē ārējais starojums no noteikta ierosināta augšējā enerģijas līmeņa uz zemāku (atrodas zemāk). Šīs piespiedu pārejas izraisa fotoni. Fotonu enerģiju var aprēķināt, izmantojot formulu:

hν = E 2 - E 1,

kur E2 un E1 ir augstākā un apakšējā līmeņa enerģijas;

h = 6,626∙10-34 J∙s — Planka konstante;

ν = c/λ – starojuma frekvence, c – gaismas ātrums, λ – viļņa garums.

Ierosināšana vai, kā parasti tiek saukta, sūknēšana tiek veikta vai nu tieši no elektriskās enerģijas avota, vai optiskā starojuma plūsmas, ķīmiskas reakcijas vai vairāku citu enerģijas avotu dēļ.

Termodinamiskā līdzsvara apstākļos daļiņu enerģijas sadalījumu unikāli nosaka ķermeņa temperatūra, un to apraksta Bolcmaņa likums, saskaņā ar kuru, jo augstāks ir enerģijas līmenis, jo zemāka ir daļiņu koncentrācija noteiktā stāvoklī, citiem vārdiem sakot. , jo mazāks ir tās iedzīvotāju skaits.

Sūknēšanas ietekmē, kas izjauc termodinamisko līdzsvaru, var rasties pretēja situācija, kad augšējā līmeņa populācija pārsniedz zemākā līmeņa populāciju. Notiek stāvoklis, ko sauc par populācijas inversiju. Šajā gadījumā piespiedu pāreju skaits no augšējā enerģijas līmeņa uz zemāko, kuru laikā notiek stimulētais starojums, pārsniegs reverso pāreju skaitu, ko pavada sākotnējā starojuma absorbcija. Tā kā inducētā starojuma izplatīšanās virziens, fāze un polarizācija sakrīt ar ietekmējošā starojuma virzienu, fāzi un polarizāciju, rodas tā pastiprināšanās efekts.

Vidi, kurā starojumu var pastiprināt inducēto pāreju dēļ, sauc par aktīvo vidi. Galvenais parametrs, kas raksturo tā pastiprinošās īpašības, ir koeficients jeb pastiprināšanas indekss kν - parametrs, kas nosaka starojuma plūsmas izmaiņas pie frekvences ν uz mijiedarbības telpas garuma vienību.

Aktīvās vides pastiprinošās īpašības var ievērojami palielināt, pielietojot radiofizikā zināmo pozitīvas atgriezeniskās saites principu, kad daļa no pastiprinātā signāla atgriežas atpakaļ aktīvajā vidē un tiek atkārtoti pastiprināta. Ja šajā gadījumā ieguvums pārsniedz visus zaudējumus, ieskaitot tos, kas tiek izmantoti kā noderīgs signāls (noderīgie zudumi), notiek pašģenerācijas režīms.

Pašģenerācija sākas ar spontānu pāreju parādīšanos un attīstās līdz noteiktam stacionāram līmenim, ko nosaka līdzsvars starp ieguvumiem un zaudējumiem.

Kvantu elektronikā pozitīvas atgriezeniskās saites radīšanai noteiktā viļņa garumā tiek izmantoti pārsvarā atvērtie rezonatori - divu spoguļu sistēma, no kuriem viens (kurls) var būt pilnīgi necaurspīdīgs, otrs (izeja) ir padarīts caurspīdīgs.

Lāzera ģenerēšanas apgabals atbilst elektromagnētisko viļņu optiskajam diapazonam, tāpēc lāzera rezonatorus sauc arī par optiskajiem rezonatoriem.

Tipiska lāzera funkcionālā diagramma ar iepriekš minētajiem elementiem ir parādīta 1. attēlā.

Gāzes lāzera konstrukcijas obligātam elementam jābūt apvalkam (gāzizlādes caurulei), kura tilpumā noteiktā spiedienā atrodas noteikta sastāva gāze. Korpusa gala malas ir pārklātas ar logiem, kas izgatavoti no lāzera starojumam caurspīdīga materiāla. Šo ierīces funkcionālo daļu sauc par aktīvo elementu. Lai samazinātu zudumus, ko rada atstarošana no to virsmas, logi tiek uzstādīti Brewster leņķī. Lāzera starojums šādās ierīcēs vienmēr ir polarizēts.

Aktīvo elementu kopā ar rezonatora spoguļiem, kas uzstādīti ārpus aktīvā elementa, sauc par emitētāju. Iespējama iespēja, kad rezonatora spoguļi ir piestiprināti tieši pie aktīvā elementa korpusa galiem, vienlaikus pildot logu funkciju gāzes tilpuma blīvēšanai (lāzers ar iekšējiem spoguļiem).

Aktīvās vides pastiprinājuma atkarību no frekvences (pastiprinājuma ķēde) nosaka darba kvantu pārejas spektrālās līnijas forma. Lāzera ģenerēšana šajā ķēdē notiek tikai tādās frekvencēs, kurās vesels pusviļņu skaits iekļaujas telpā starp spoguļiem. Šajā gadījumā uz priekšu un atpakaļ vērstu viļņu traucējumu rezultātā rezonatorā veidojas tā sauktie stāvviļņi ar enerģijas mezgliem uz spoguļiem.

Stāvviļņu elektromagnētiskā lauka struktūra rezonatorā var būt ļoti dažāda. Tās īpašās konfigurācijas parasti sauc par režīmiem. Svārstības ar dažādām frekvencēm, bet vienādu lauka sadalījumu šķērsvirzienā sauc par garenvirziena (vai aksiālajiem) režīmiem. Tie ir saistīti ar viļņiem, kas izplatās stingri gar rezonatora asi. Svārstības, kas viena no otras atšķiras ar lauka sadalījumu šķērsvirzienā, attiecīgi šķērsvirzienā (vai neaksiālajos) režīmos. Tie ir saistīti ar viļņiem, kas izplatās dažādos nelielos leņķos pret asi un attiecīgi kuriem ir viļņu vektora šķērskomponents. Lai apzīmētu dažādus režīmus, tiek izmantots šāds saīsinājums: TEMmn. Šajā apzīmējumā m un n ir indeksi, kas parāda lauka izmaiņu periodiskumu uz spoguļiem pa dažādām koordinātām šķērsvirzienā. Ja lāzera darbības laikā tiek ģenerēts tikai pamata (zemākais) režīms, mēs runājam par viena režīma darbības režīmu. Ja ir vairāki šķērsrežīmi, režīmu sauc par daudzrežīmu. Darbojoties viena režīma režīmā, ģenerēšana ir iespējama vairākās frekvencēs ar dažādu garenisko režīmu skaitu. Ja lazerēšana notiek tikai vienā gareniskajā režīmā, mēs runājam par vienas frekvences režīmu.

1. attēls – gāzes lāzera diagramma.

Attēlā izmantoti šādi apzīmējumi:

1. Optisko rezonatoru spoguļi;
2. Optisko rezonatoru logi;
3. Elektrodi;
4. Gāzes izlādes caurule.

2 CO 2 lāzera uzbūve un darbības princips

CO 2 lāzera ierīce shematiski parādīta 2. attēlā.

2. attēls – CO2 lāzera darbības princips.

Viens no visizplatītākajiem CO 2 lāzeru veidiem ir gāzes dinamiskie lāzeri. Tajos lāzera starojumam nepieciešamā apgrieztā populācija tiek sasniegta, pateicoties tam, ka gāze tiek uzkarsēta līdz 1500 K pie spiediena 20–30 atm. , nonāk darba kamerā, kur tas izplešas, un tā temperatūra un spiediens strauji pazeminās. Šādi lāzeri var radīt nepārtrauktu starojumu ar jaudu līdz 100 kW.

Lai izveidotu CO 2 lāzeru aktīvo vidi (kā saka, “sūknēšana”), visbiežāk tiek izmantota līdzstrāvas kvēlizlāde. Pēdējā laikā arvien vairāk tiek izmantota augstfrekvences izlāde. Bet šī ir atsevišķa tēma. Augstfrekvences izlāde un svarīgākie pielietojumi, ko tā ir atradusi mūsdienās (ne tikai lāzertehnoloģijā), ir atsevišķa raksta tēma. Par vispārējiem elektriskās izlādes CO 2 lāzeru darbības principiem, problēmām, kas rodas šajā gadījumā, un dažiem dizainiem, kuru pamatā ir līdzstrāvas izlādes izmantošana.

70. gadu pašā sākumā, izstrādājot lieljaudas CO 2 lāzerus, kļuva skaidrs, ka izlādei ir raksturīgas līdz šim nezināmas īpašības un lāzeriem postošas ​​nestabilitātes. Tie rada gandrīz nepārvaramus šķēršļus mēģinājumiem piepildīt lielu tilpumu ar plazmu ar paaugstinātu spiedienu, kas ir tieši tas, kas nepieciešams, lai iegūtu lielu lāzera jaudu. Iespējams, neviena no lietišķa rakstura problēmām pēdējās desmitgadēs nav tik ļoti palīdzējusi zinātnes attīstībai par elektrisko izlādi gāzēs, kā lielas jaudas nepārtraukta viļņa CO 2 lāzeru radīšanas problēma.

Apskatīsim CO 2 lāzera darbības principu.

Gandrīz jebkura lāzera aktīvā vide ir viela, kurā noteiktās molekulās vai atomos noteiktā līmeņu pārī var izveidot apgrieztu populāciju. Tas nozīmē, ka molekulu skaits augšējā kvantu stāvoklī, kas atbilst starojuma lāzera pārejai, pārsniedz molekulu skaitu apakšējā. Atšķirībā no parastās situācijas, gaismas stars, kas iet caur šādu vidi, netiek absorbēts, bet tiek pastiprināts, kas paver iespēju radīt starojumu.

Vai tu zināji, Kas ir domu eksperiments, gedanken eksperiments?
Tā ir neeksistējoša prakse, pārpasaulīga pieredze, iztēle par kaut ko tādu, kas patiesībā neeksistē. Domu eksperimenti ir kā nomoda sapņi. Viņi dzemdē monstrus. Atšķirībā no fiziskā eksperimenta, kas ir eksperimentāls hipotēžu tests, “domu eksperiments” maģiski aizvieto eksperimentālo testēšanu ar vēlamiem, praksē nepārbaudītiem secinājumiem, manipulējot ar loģiskām konstrukcijām, kas faktiski pārkāpj pašu loģiku, izmantojot nepierādītas premisas kā pierādītas, ir ar aizstāšanu. Tādējādi “domu eksperimentu” pieteicēju galvenais uzdevums ir maldināt klausītāju vai lasītāju, reālu fizisko eksperimentu aizstājot ar tā “lelli” - fiktīvu spriešanu nosacīti pirms pašas fiziskās pārbaudes.
Fizikas piepildīšana ar iedomātiem, “domu eksperimentiem” ir novedusi pie absurda, sirreāla, neskaidra pasaules attēla rašanās. Īstam pētniekam šādi “konfekšu papīrīši” jāatšķir no īstām vērtībām.

Relatīvisti un pozitīvisti apgalvo, ka “domu eksperimenti” ir ļoti noderīgs rīks, lai pārbaudītu teorijas (arī mūsu prātā radušās) konsekvenci. Ar to viņi maldina cilvēkus, jo jebkuru pārbaudi var veikt tikai no verifikācijas objekta neatkarīgs avots. Pats hipotēzes pieteicējs nevar būt sava apgalvojuma tests, jo paša šī apgalvojuma iemesls ir pieteicējam redzamā apgalvojuma pretrunu neesamība.

Mēs to redzam SRT un GTR piemērā, kas ir pārvērtušies par sava veida reliģiju, kas kontrolē zinātni un sabiedrisko domu. Nekādi fakti, kas tiem ir pretrunā, nevar pārvarēt Einšteina formulu: "Ja fakts neatbilst teorijai, mainiet faktu" (Citā versijā "Vai fakts neatbilst teorijai? - Jo sliktāk faktam". ”).

Maksimums, ko var apgalvot “domu eksperiments”, ir tikai hipotēzes iekšējā konsekvence paša pieteicēja, bieži vien nepatiesas, loģikas ietvaros. Tas nepārbauda atbilstību praksei. Īsta pārbaude var notikt tikai faktiskā fiziskā eksperimentā.

Eksperiments ir eksperiments, jo tas nav domas pilnveidošana, bet gan domas pārbaude. Doma, kas ir konsekventa, nevar sevi pārbaudīt. To pierādīja Kurts Gēdels.