Laser wtryskowy półprzewodnikowy. Zajęcia przedmiotu Laser półprzewodnikowy Obliczanie i projektowanie lasera półprzewodnikowego

Lasery wtryskowe półprzewodnikowe, podobnie jak inny typ emiterów półprzewodnikowych - diody LED, są najważniejszym elementem każdego układu optoelektronicznego. Działanie obu urządzeń opiera się na zjawisku elektroluminescencja. W stosunku do powyższych emiterów półprzewodnikowych mechanizm elektroluminescencji realizowany jest poprzez: rekombinacja radiacyjna wstrzykiwane są nierównowagowe nośniki ładunku złącze p-n.

Pierwsze diody LED pojawiły się na przełomie lat 50. i 60. XX wieku, a już w 1961 roku. NG Basov, O.N. Krokhin i Yu.M. Popow zaproponowano zastosowanie wtrysku w zdegenerowanych złączach p-n w celu uzyskania efektu laserowego. W 1962 roku amerykańscy fizycy R. Halla i in. Udało się zarejestrować zwężenie linii emisyjnej widma półprzewodnikowej diody LED, co zinterpretowano jako przejaw efektu laserowego („nadpromieniowania”). W 1970 roku rosyjscy fizycy - Zh.I. Alferow i in. powstały pierwsze lasery heterostrukturalne. Umożliwiło to przystosowanie urządzeń do masowej produkcji seryjnej, co zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2000 roku. Obecnie lasery półprzewodnikowe znajdują najpowszechniejsze zastosowanie głównie w urządzeniach do zapisu i odczytu informacji z płyt komputerowych, audio i wideo. Główne zalety laserów półprzewodnikowych to:

1. Ekonomiczny, zapewniona przez wysoką efektywność konwersji energii pompy na energię promieniowania spójnego;

2. Niska bezwładność, ze względu na krótkie czasy charakterystyczne załączenia trybu generacji (~ 10 -10 s);

3. Ścisłość, związany z właściwością półprzewodników zapewniających ogromne wzmocnienie optyczne;

4. Proste urządzenie zasilanie niskonapięciowe, kompatybilność z układami scalonymi („mikrochipy”);

5. Szansa płynne strojenie długości fali w szerokim zakresie ze względu na zależność właściwości optycznych półprzewodników od temperatury, ciśnienia itp.

Główna cecha stosowane są w nich lasery półprzewodnikowe przejścia optyczne obejmujące poziomy energetyczne (stany energetyczne) główne strefy energii elektronicznej kryształ. Na tym polega różnica między laserami półprzewodnikowymi a np. laserami rubinowymi, które wykorzystują przejścia optyczne pomiędzy poziomami zanieczyszczeń jonem chromu Cr 3+ w Al 2 O 3 . Do stosowania w laserach półprzewodnikowych najbardziej odpowiednie okazały się związki półprzewodnikowe A III B V (patrz Wstęp). To na bazie tych związków i ich solidne rozwiązania Większość laserów półprzewodnikowych jest wytwarzana przez przemysł. W wielu materiałach półprzewodnikowych tej klasy rekombinacja nośników nadmiarowo-prądowych odbywa się poprzez bezpośredni przejścia optyczne pomiędzy stanami wypełnionymi w pobliżu dołu pasma przewodnictwa i stanami swobodnymi w pobliżu górnej części pasma walencyjnego (ryc. 1). Wysokie prawdopodobieństwo przejść optycznych w luka bezpośrednia półprzewodniki oraz duża gęstość stanów w pasmach umożliwiają uzyskanie wysokie wzmocnienie optyczne w półprzewodniku.

Ryc.1. Emisja fotonów podczas rekombinacji radiacyjnej w półprzewodniku ze szczeliną bezpośrednią z odwróconą obsadą.

Rozważmy podstawowe zasady działania lasera półprzewodnikowego. Jeśli kryształ półprzewodnika jest w stanie równowaga termodynamiczna z otoczeniem, wtedy jest w stanie tylko to zrobić absorbować padające na nią promieniowanie. Natężenie światła pokonującego pewną odległość w krysztale X, wynika ze znanej zależności Bouguera-Lamberta

Tutaj R- współczynnik odbicia światła;

α - współczynnik absorpcji światła.

Aby wpuścić światło wzmożony przechodząc przez kryształ, a nie osłabiając, wymagany jest współczynnik α była mniejsza od zera, tj środowisko równowagi termodynamicznej jest niemożliwe. Aby jakikolwiek laser (gazowy, ciekły, stały) mógł działać, wymagane jest, aby środowisko pracy lasera było w stanie odwrotna populacja – stan, w którym liczba elektronów na wysokich poziomach energii będzie większa niż na niższych poziomach energii (stan ten nazywany jest także „stanem ujemnej temperatury”). Uzyskajmy zależność opisującą stan z odwróconą obsadą w półprzewodnikach.

Pozwalać ε 1 I ε 2 – sprzężone optycznie poziomy energetyczne pomiędzy sobą, z których pierwszy znajduje się w paśmie walencyjnym, a drugi w paśmie przewodnictwa półprzewodnika (rys. 2). Termin „sprzężone optycznie” oznacza, że ​​przejścia elektronowe między nimi są dozwolone przez reguły selekcji. Pochłanianie kwantu światła energią hν 12, elektron przemieszcza się z poziomu ε 1 na poziom ε 2. Szybkość takiego przejścia będzie proporcjonalna do prawdopodobieństwa zapełnienia pierwszego poziomu F 1, prawdopodobieństwo, że drugi poziom jest pusty: (1- F 2) i gęstość strumienia fotonów P(hν 12)

Odwrotne przejście – z poziomu wyższego na dolny – może nastąpić na dwa sposoby – ze względu na spontaniczny I wymuszony rekombinacja. W drugim przypadku oddziaływanie kwantu światła z elektronem znajdującym się na poziomie ε 2 „wymusza” na elektronie rekombinację z emisja kwant światła, identyczny ten, który spowodował proces wymuszonej rekombinacji. To. W układzie następuje wzmocnienie światła, co jest istotą działania lasera. Szybkości rekombinacji spontanicznej i wymuszonej zostaną zapisane jako:

(3)

W stanie równowagi termodynamicznej

. (5)

Korzystając z warunku 5, można wykazać, że współczynniki O 12, O 21 I 21(„Współczynniki Einsteina”) są ze sobą powiązane, a mianowicie:

, (6)

Gdzie N - współczynnik załamania światła półprzewodnika; Z- prędkość światła.

W dalszej części nie będziemy jednak brać pod uwagę rekombinacji spontanicznej, ponieważ szybkość rekombinacji spontanicznej nie zależy od gęstości strumienia fotonów w środowisku pracy lasera, a szybkość rekombinacji wymuszonej będzie przybierała duże wartości Р(hν 12) znacznie przekraczają szybkość spontanicznej rekombinacji. Aby nastąpiło wzmocnienie światła, prędkość wymuszonych przejść z góry na dół musi przekraczać prędkość przejść z dołu do góry:

Po zapisaniu prawdopodobieństw zajęcia przez elektrony poziomów o energii ε 1 I ε 2 Jak

, (8)

otrzymujemy warunek odwrotnego zaludnienia w półprzewodnikach

ponieważ minimalna odległość między poziomami ε 1 I ε 2 dokładnie równe pasmu wzbronionemu półprzewodnika εg. Związek ten znany jest jako Relacja Bernarda-Durafoura.

Formuła 9 zawiera wartości tzw. poziomy quasi-Fermiego- Poziomy Fermiego oddzielnie dla pasma przewodnictwa FC i pasmo walencyjne F V. Taka sytuacja jest możliwa tylko w sytuacji nierównowagi, a dokładniej dla quasi-równowaga systemy. Aby utworzyć poziomy Fermiego w obu dozwolonych pasmach (poziomy oddzielające stany wypełnione elektronami i puste (patrz Wprowadzenie)) wymagane jest, aby czas relaksacji pulsu było kilka rzędów wielkości elektronów i dziur krótsza żywotność nośniki nadmiaru ładunku:

W rezultacie brak równowagi ogólnie rzecz biorąc, gaz elektron-dziura można uznać za kombinację równowaga elektroniczna gaz w strefie przewodzenia i dziura równowagi gaz w paśmie walencyjnym (ryc. 2).


Ryc.2. Schemat energetyczny półprzewodnika z odwróconym poziomem populacji. Stany wypełnione elektronami są zacienione.

Procedura tworzenia odwrotnej populacji w środowisku pracy lasera (w naszym przypadku w krysztale półprzewodnikowym) nazywa się pompowanie. Lasery półprzewodnikowe można pompować z zewnątrz światłem, wiązką szybkich elektronów, silnym polem o częstotliwości radiowej lub jonizacją uderzeniową w samym półprzewodniku. Ale najprostszy, najbardziej ekonomiczny i dlatego, że Najpopularniejszy sposobem pompowania laserów półprzewodnikowych jest zastrzyk nośniki ładunku w zdegenerowanym złączu p-n(patrz podręcznik metodologiczny „Fizyka urządzeń półprzewodnikowych”; dioda tunelowa). Zasada takiego pompowania jest jasna z ryc. 3, gdzie diagram energii takie przejście w stanie równowagi termodynamicznej i przy duże nastawienie do przodu. Można zauważyć, że w obszarze d, sąsiadującym bezpośrednio ze złączem p-n, realizowane jest obsadzenie odwrotne – odległość energetyczna pomiędzy poziomami quasi-Fermiego jest większa niż pasmo wzbronione.

Ryc.3. Zdegenerowane złącze pn w stanie równowagi termodynamicznej (po lewej) i przy dużym odchyleniu do przodu (po prawej).

Jednakże powstawanie odwrotnej populacji w środowisku pracy jest niezbędny, ale również nie jest warunkiem wystarczającym do generowania promieniowania laserowego. W każdym laserze, a w szczególności w laserze półprzewodnikowym, część mocy pompy dostarczanej do urządzenia zostanie bezużytecznie tracona. I tylko wtedy, gdy moc pompowania przekroczy określoną wartość - próg generacji, laser zaczyna działać jako kwantowy wzmacniacz światła. Po przekroczeniu progu generacji:

· A) gwałtownie wzrasta natężenie promieniowania emitowanego przez urządzenie (ryc. 4a);

B) zwęża się widmowy linia promieniowanie (ryc. 4b);

· c) staje się promieniowaniem spójny i wąsko ukierunkowany.

Ryc.4. Wzrost natężenia (po lewej) i zwężenie linii widmowej emisji (po prawej) lasera półprzewodnikowego, gdy prąd przekracza wartość progową.

Aby osiągnąć progowe warunki lasera, zwykle umieszcza się w nim czynnik roboczy lasera rezonator optyczny. Ten zwiększa długość ścieżki optycznej wiązki światła w środowisku pracy, ułatwia osiągnięcie progu lasera, sprzyja lepszemu skupieniu wiązki światła itp. Spośród różnych typów rezonatorów optycznych w laserach półprzewodnikowych najbardziej powszechny jest ten najprostszy Rezonator Fabry’ego-Perota– dwa zwierciadła płasko-równoległe prostopadłe do złącza pn. Co więcej, wypolerowane krawędzie samego kryształu półprzewodnika służą jako zwierciadła.

Rozważmy przejście fali elektromagnetycznej przez taki rezonator. Przyjmijmy, że współczynnik przepuszczalności i odbicia lewego zwierciadła rezonatora wynosi: t 1 I r 1, po prawej (przez którą wychodzi promieniowanie) - z tyłu t 2 I r 2; długość rezonatora – L. Niech fala elektromagnetyczna spadnie na lewą stronę kryształu z zewnątrz, której równanie zostanie zapisane w postaci:

. (11)

Po przejściu przez lewe lustro, kryształ i prawe lustro część promieniowania wyjdzie przez prawą stronę kryształu, a część zostanie odbita i ponownie przejdzie na lewą stronę (ryc. 5).

Ryc.5. Fala elektromagnetyczna w rezonatorze Fabry’ego-Perota.

Na rysunku wyraźnie widać dalszą drogę wiązki w rezonatorze, amplitudy wiązek wychodzących i odbitych. Podsumujmy amplitudy wszystkich uwolnionych fal elektromagnetycznych przez prawą stronę kryształu:

= (12).

Będziemy wymagać, aby suma amplitud wszystkich fal wychodzących z prawej strony kryształu nie była równa zero, nawet przy znikomo małej amplitudzie fali po lewej stronie kryształu. Oczywiście może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy mianownik ułamka w (12) dąży do zera. Stąd otrzymujemy:

, (13)

oraz biorąc pod uwagę fakt, że natężenie światła, tj.; , Gdzie R 1 , R 2 - współczynniki odbicia zwierciadeł - ścian kryształów „według intensywności”, a dodatkowo ostatecznie zapiszemy stosunek dla progu lasera jako:

. (14)

Z (11) wynika, że ​​współczynnik 2G zawarty w wykładniku jest powiązany ze złożonym współczynnikiem załamania światła kryształu:

Po prawej stronie (15) pierwszy człon określa fazę fali świetlnej, a drugi amplitudę. W zwykłym, termodynamicznie zrównoważonym ośrodku następuje osłabienie (absorpcja) światła, w aktywnym ośrodku roboczym lasera tę samą zależność należy zapisać w postaci , Gdzie G - zysk światła i symbol αi wyznaczony wszystkie straty energię pompy, niekoniecznie o charakterze wyłącznie optycznym. Następnie warunek progu amplitudy zostanie przepisany jako:

Lub . (16)

W ten sposób zdefiniowaliśmy niezbędny(9) i wystarczający(16) warunki generacji lasera półprzewodnikowego. Jak tylko wartość osiągać przekroczy straty o ilość określoną przez pierwszy człon (16), w środowisku pracy o odwrotnej populacji poziomów światło zacznie się intensyfikować. Samo wzmocnienie będzie zależeć od mocy pompy lub, co jest takie samo w przypadku laserów wtryskowych, od wielkości prąd roboczy. W typowym obszarze roboczym laserów półprzewodnikowych i liniowo zależy od prądu roboczego

. (17)

Z (16) i (17) dla prąd progowy otrzymujemy:

, (18)

dokąd I 0 oznacza się tzw „próg inwersji” to wartość prądu roboczego, przy której osiągane jest odwrotne obsadowanie półprzewodnika. Ponieważ zazwyczaj pierwszy wyraz w (18) można pominąć.

Czynnik proporcjonalności β dla lasera wykorzystującego konwencjonalne złącze p-n i wykonanego na przykład z GaAs można obliczyć ze wzoru

, (19)

Gdzie mi i Δ E – położenie i szerokość połówkowa linii widmowej promieniowania laserowego.

Obliczenia ze wzoru 18 dają w temperaturze pokojowej T = 300 K dla takiego lasera bardzo duże wartości progowej gęstości prądu 5 . 10 4 A/cm 2, tj. Takie lasery mogą pracować albo przy dobrym chłodzeniu, albo w trybie krótkiego impulsu. Dlatego, jak wspomniano powyżej, dopiero utworzenie w 1970 roku przez grupę Zh.I. Alferova lasery heterozłączowe dozwolony zmniejszyć o 2 rzędy wielkości progowych prądów laserów półprzewodnikowych, co ostatecznie doprowadziło do powszechnego zastosowania tych urządzeń w elektronice.

Aby zrozumieć, jak to osiągnięto, przyjrzyjmy się bliżej struktura strat w laserach półprzewodnikowych. Do niespecyficznego, wspólne dla wszystkich laserów, i w zasadzie nieodwracalne straty należy przypisać straty spontaniczne przejścia i straty na termalizacja.

Spontaniczne przejścia z poziomu wyższego na niższy będzie zawsze obecny, a ponieważ wyemitowane kwanty światła w tym przypadku będą miały losowy rozkład w fazie i kierunku propagacji (nie będą zgodny), to wydatek energii pompy na generację spontanicznie rekombinowanych par elektron-dziura należy zaliczyć do strat.

Przy dowolnej metodzie pompowania elektrony o energii większej niż energia poziomu quasi-Fermiego zostaną wrzucone do pasma przewodnictwa półprzewodnika FC. Elektrony te, tracąc energię w zderzeniach z defektami sieci, szybko opadają do poziomu quasi-Fermiego – jest to proces tzw. termalizacja. Energia tracona przez elektrony, gdy są rozproszone na defektach sieci, to strata termizacji.

DO częściowo zdejmowany straty mogą obejmować straty na rekombinacja niepromienista. W półprzewodnikach z bezpośrednią przerwą za rekombinację niepromienistą odpowiadają zwykle głębokie poziomy zanieczyszczeń (patrz „Efekt fotoelektryczny w półprzewodnikach jednorodnych”). Dokładne oczyszczenie kryształu półprzewodnika z zanieczyszczeń tworzących takie poziomy zmniejsza prawdopodobieństwo rekombinacji niepromienistej.

I wreszcie straty dalej absorpcja nierezonansowa i dalej prądy upływowe można znacznie zmniejszyć, stosując w produkcji lasery heterostruktury.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych złączy p-n, gdzie po prawej i lewej stronie punktu styku znajdują się identyczne półprzewodniki, różniące się jedynie składem zanieczyszczeń i rodzajem przewodnictwa, w heterostrukturach półprzewodniki o różnym składzie chemicznym znajdują się po obu stronach styku. Półprzewodniki te mają różne przerwy wzbronione, dlatego w miejscu styku nastąpi „skok” energii potencjalnej elektronu (typ „hak” lub „ściana” (ryc. 6)).


Ryc.6. Laser wtryskowy oparty na dwustronnej heterostrukturze w stanie równowagi termodynamicznej (po lewej) i w trybie pracy (po prawej).

W zależności od rodzaju przewodnictwa półprzewodników mogą występować heterostruktury izotypowy(heterostruktury p-P; n-N) i anizotypowy(heterostruktury p-N; n-P). W heterostrukturach wielkie litery zwykle oznaczają półprzewodnik z większym pasmem wzbronionym. Nie wszystkie półprzewodniki są w stanie tworzyć wysokiej jakości heterostruktury nadające się do tworzenia na ich bazie urządzeń elektronicznych. Aby interfejs zawierał jak najmniej defektów, składniki heterostruktury muszą je posiadać ta sama struktura krystaliczna i bardzo wartości bliskie stała sieci. Spośród półprzewodników grupy A III B V jedynie dwie pary związków spełniają ten wymóg: GaAs-AlAs i GaSb-AlSb oraz ich solidne rozwiązania(patrz Wprowadzenie), tj. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Komplikując skład półprzewodników, można dobrać inne pary odpowiednie do tworzenia heterostruktur, np. InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. Lasery wtryskowe wykonywane są także z heterostruktur bazujących na związkach półprzewodnikowych A IV B VI, takich jak PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se – lasery te emitują widmo w zakresie dalekiej podczerwieni.

Straty dalej prądy upływowe w heterolaserach możliwe jest jego niemal całkowite wyeliminowanie ze względu na różnicę w pasmach wzbronionych półprzewodników tworzących heterostrukturę. Rzeczywiście (rys. 3) szerokość obszaru d w pobliżu konwencjonalnego złącza p-n, gdzie spełniony jest warunek odwrotnego obsadzenia, wynosi zaledwie 1 µm, natomiast nośniki ładunku wtryskiwane przez złącze rekombinują w znacznie większym obszarze L n + L p o szerokości 10 µm. Rekombinacja nośników w tym regionie nie sprzyja spójnej emisji. W dwustronny Region heterostruktury N-p-P (ryc. 6) z odwróconą populacją pokrywa się z grubością warstwy półprzewodnika o wąskiej szczelinie w centrum heterolasera. Prawie wszystko elektrony i dziury wprowadzone do tego obszaru z półprzewodników o szerokiej przerwie tam się łączą. Bariery potencjałowe na styku półprzewodników o szerokiej i wąskiej szczelinie zapobiegają „rozprzestrzenianiu się” nośników ładunku, co radykalnie zwiększa wydajność takiej konstrukcji w porównaniu z konwencjonalnym (rys. 3) złączem p-n.

W warstwie półprzewodnika wąskoszczelinowego skupione zostaną nie tylko elektrony i dziury nierównowagowe, ale także większość promieniowania. Przyczyną tego zjawiska jest to, że półprzewodniki tworzące heterostrukturę różnią się wartością współczynnika załamania światła. Zazwyczaj współczynnik załamania światła jest wyższy w przypadku półprzewodnika o wąskiej szczelinie. Dlatego wszystkie promienie mają kąt padania na granicy dwóch półprzewodników

, (20)

ulegnie całkowite wewnętrzne odbicie. W rezultacie promieniowanie zostanie „zablokowane” w warstwie aktywnej (rys. 7), co znacznie zmniejszy straty w absorpcja nierezonansowa(zwykle jest to tzw. „absorpcja przez bezpłatnych przewoźników”).

Ryc.7. Ograniczenia optyczne podczas propagacji światła w heterostrukturze. Przy kącie padania większym niż θ następuje całkowite wewnętrzne odbicie od powierzchni styku półprzewodników tworzących heterostrukturę.

Wszystko to umożliwia otrzymanie w heterolaserach gigantyczne wzmocnienie optyczne z mikroskopijnymi wymiarami obszaru aktywnego: grubością warstwy aktywnej, długością rezonatora . Heterolasery działają w temperaturze pokojowej tryb ciągły i charakterystyczne gęstość prądu roboczego nie przekraczać 500 A/cm2. Spektrum emisji większość laserów produkowanych na rynku, w których czynnikiem roboczym jest arsenku galu, reprezentuje wąską linię z maksimum w obszarze widma bliskiej podczerwieni , chociaż opracowano lasery półprzewodnikowe wytwarzające promieniowanie widzialne oraz lasery emitujące w zakresie dalekiej podczerwieni o mocy .

Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.

Podobne dokumenty

    Propagacja impulsu energii elektromagnetycznej wzdłuż światłowodu. Dyspersja międzymodowa we włóknach wielomodowych. Wyznaczanie dyspersji wewnątrzmodowej. Dyspersja materiału i falowodu w światłowodzie jednomodowym. Długość fali zerowej dyspersji.

    test, dodano 18.05.2011

    Mechanizm pompujący wtrysk. Wielkość napięcia polaryzacji. Główna charakterystyka laserów półprzewodnikowych i ich grup. Typowe widmo emisyjne lasera półprzewodnikowego. Wartości prądów progowych. Moc promieniowania lasera w trybie impulsowym.

    prezentacja, dodano 19.02.2014

    Obliczanie długości odcinka regeneracyjnego systemu światłowodowego (FOLS) do transmisji informacji według zadanych parametrów potencjału energetycznego systemu i rozproszenia w światłowodach. Ocena prędkości światłowodowych linii komunikacyjnych. Definicja pasma.

    test, dodano 29.05.2014

    Erbowe wzmacniacze sygnału optycznego. Parametry wzmacniaczy światłowodowych. Moc wyjściowa sygnału i efektywność energetyczna pompy. Szerokość i jednorodność pasma wzmocnienia. Laser pompujący półprzewodnikowy „LATUS-K”. Projekt lasera pompy.

    teza, dodano 24.12.2015

    Etapy rozwoju i perspektywy realizacji projektu stworzenia taniego kompleksu laserowego opartego na laserze półprzewodnikowym przeznaczonego do obróbki materiałów organicznych. Badanie głównych parametrów i charakterystyk fotodetektora.

    praca na kursie, dodano 15.07.2015

    Obliczanie struktury lasera półprzewodnikowego na podstawie połączeń trzeciej i piątej grupy dla światłowodowych linii komunikacyjnych trzeciej generacji. Wybór struktury kryształu. Obliczanie parametrów, rezonator DFB, wewnętrzne wyjście kwantowe, zamknięcie optyczne.

    praca na kursie, dodano 11.05.2015

    Układanie kabla światłowodowego z wykorzystaniem sprzętu synchronicznej hierarchii cyfrowej (SDH) SDH zamiast kompaktowego systemu K-60p na odcinku Dżetygara – Komsomolec. Obliczanie maksymalnych dopuszczalnych poziomów promieniowania lasera półprzewodnikowego.

    praca magisterska, dodana 11.06.2014

    Występowanie fali płaskiej na granicy dwóch ośrodków, stosunek impedancji fali i składowych pola. Propagacja fal spolaryzowanych w włóknie metalowym, obliczanie głębokości ich wnikania. Wyznaczanie pola wewnątrz dielektrycznego światłowodu.

    praca na kursie, dodano 07.06.2011

Wstęp

Jednym z najbardziej niezwykłych osiągnięć fizyki drugiej połowy XX wieku było odkrycie zjawisk fizycznych, które posłużyły jako podstawa do stworzenia niesamowitego urządzenia w postaci optycznego generatora kwantowego, czyli lasera.

Laser jest źródłem monochromatycznego, spójnego światła o wysoce ukierunkowanej wiązce światła.

Generatory kwantowe to szczególna klasa urządzeń elektronicznych, w których zastosowano najnowocześniejsze osiągnięcia różnych dziedzin nauki i techniki.

Lasery gazowe to takie, w których ośrodkiem aktywnym jest gaz, mieszanina kilku gazów lub mieszanina gazów z parami metalu.

Lasery gazowe są obecnie najpopularniejszym typem lasera. Wśród różnych typów laserów gazowych zawsze można znaleźć laser, który zaspokoi niemal każde wymagania dotyczące lasera, z wyjątkiem bardzo dużej mocy w widzialnym obszarze widma w trybie impulsowym.

Do wielu eksperymentów badających nieliniowe właściwości optyczne materiałów potrzebne są duże moce. Obecnie w laserach gazowych nie udało się uzyskać dużych mocy ze względu na zbyt małą gęstość atomów w nich występujących. Jednak do prawie wszystkich innych celów można znaleźć specyficzny typ lasera gazowego, który będzie lepszy zarówno od laserów na ciele stałym pompowanych optycznie, jak i laserów półprzewodnikowych.

Dużą grupę laserów gazowych stanowią lasery wyładowcze, w których ośrodkiem aktywnym jest rozrzedzony gaz (ciśnienie 1–10 mm Hg), a pompowanie odbywa się za pomocą wyładowania elektrycznego, które może mieć charakter jarzeniowy lub łukowy i powstaje prądem stałym lub prądem przemiennym o wysokiej częstotliwości (10–50 MHz).

Istnieje kilka rodzajów laserów wyładowczych. W laserach jonowych promieniowanie powstaje w wyniku przejść elektronów pomiędzy poziomami energii jonów. Przykładem jest laser argonowy, który wykorzystuje wyładowanie łukowe prądem stałym.

Lasery przejścia atomowego powstają w wyniku przejść elektronów pomiędzy poziomami energii atomowej. Lasery te wytwarzają promieniowanie o długości fali 0,4–100 µm. Przykładem jest laser helowo-neonowy działający na mieszaninę helu i neonu pod ciśnieniem około 1 mm Hg. Sztuka. Do pompowania wykorzystuje się wyładowanie jarzeniowe, wytwarzane przez stałe napięcie około 1000 V.

Do laserów wyładowczych zaliczają się także lasery molekularne, w których promieniowanie powstaje w wyniku przejść elektronów pomiędzy poziomami energii cząsteczek. Lasery te charakteryzują się szerokim zakresem częstotliwości odpowiadającym długościom fali od 0,2 do 50 µm.

Najpopularniejszym laserem molekularnym jest dwutlenek węgla (laser CO2). Może wytwarzać moc do 10 kW i ma dość wysoką sprawność wynoszącą około 40%. Do głównego dwutlenku węgla zwykle dodaje się zanieczyszczenia azotem, helem i innymi gazami. Do pompowania wykorzystuje się prąd stały lub wyładowanie jarzeniowe o wysokiej częstotliwości. Laser na dwutlenku węgla wytwarza promieniowanie o długości fali około 10 mikronów.

Projektowanie generatorów kwantowych jest bardzo pracochłonne ze względu na dużą różnorodność procesów determinujących ich charakterystykę działania, mimo to lasery gazowe na dwutlenku węgla znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach.

W oparciu o lasery CO 2 opracowano i z sukcesem z sukcesem opracowano systemy naprowadzania laserowego, lokalizacyjne systemy monitoringu środowiska (lidary), instalacje technologiczne do spawania laserowego, cięcia metali i materiałów dielektrycznych, instalacje do trasowania powierzchni szklanych i utwardzania powierzchniowego wyrobów stalowych operowany. Lasery CO2 są również szeroko stosowane w systemach komunikacji kosmicznej.

Głównym celem dyscypliny „optoelektroniczne urządzenia i urządzenia kwantowe” jest badanie podstaw fizycznych, konstrukcji, zasad działania, charakterystyk i parametrów najważniejszych przyrządów i urządzeń stosowanych w optycznych systemach komunikacyjnych. Należą do nich generatory i wzmacniacze kwantowe, modulatory optyczne, fotodetektory, nieliniowe elementy i urządzenia optyczne, holograficzne i zintegrowane komponenty optyczne. Oznacza to istotność tematu tego projektu kursu.

Celem tego projektu kursu jest opisanie laserów gazowych i obliczenie lasera helowo-neonowego.

Zgodnie z celem rozwiązywane są następujące zadania:

Badanie zasady działania generatora kwantowego;

Badanie budowy i zasady działania lasera CO 2;

Studiowanie dokumentacji bezpieczeństwa podczas pracy z laserami;

Obliczanie lasera CO2.

1 Zasada działania generatora kwantowego

Zasada działania generatorów kwantowych opiera się na wzmocnieniu fal elektromagnetycznych za pomocą efektu wymuszonego (indukowanego) promieniowania. Wzmocnienie zapewnia uwolnienie energii wewnętrznej podczas przejść atomów, cząsteczek i jonów stymulowanych promieniowaniem zewnętrznym z pewnego wzbudzonego wyższego poziomu energii na niższy (znajdujący się poniżej). Te wymuszone przejścia są spowodowane przez fotony. Energię fotonu można obliczyć ze wzoru:

hν = E 2 - E 1,

gdzie E2 i E1 to energie górnego i dolnego poziomu;

h = 6,626∙10-34 J∙s – stała Plancka;

ν = c/λ – częstotliwość promieniowania, c – prędkość światła, λ – długość fali.

Wzbudzanie, czyli jak powszechnie nazywa się pompowanie, odbywa się albo bezpośrednio ze źródła energii elektrycznej, albo w wyniku przepływu promieniowania optycznego, reakcji chemicznej lub szeregu innych źródeł energii.

W warunkach równowagi termodynamicznej rozkład energii cząstek jest jednoznacznie określony przez temperaturę ciała i opisany prawem Boltzmanna, zgodnie z którym im wyższy poziom energii, tym mniejsze stężenie cząstek w danym stanie, innymi słowy , tym mniejsza jest jego populacja.

Pod wpływem pompowania, które zakłóca równowagę termodynamiczną, może dojść do odwrotnej sytuacji, gdy zaludnienie wyższego poziomu przewyższy zaludnienie dolnego. Występuje stan zwany inwersją populacji. W tym przypadku liczba wymuszonych przejść z wyższego poziomu energetycznego na dolny, podczas których następuje promieniowanie wymuszone, będzie większa od liczby przejść odwrotnych, którym towarzyszy absorpcja promieniowania pierwotnego. Ponieważ kierunek propagacji, faza i polaryzacja indukowanego promieniowania pokrywają się z kierunkiem, fazą i polaryzacją promieniowania wpływającego, następuje efekt jego wzmocnienia.

Ośrodek, w którym promieniowanie może zostać wzmocnione w wyniku indukowanych przejść, nazywa się ośrodkiem aktywnym. Głównym parametrem charakteryzującym jego właściwości wzmacniające jest współczynnik, czyli wskaźnik wzmocnienia kν – parametr określający zmianę strumienia promieniowania przy częstotliwości ν na jednostkę długości przestrzeni oddziaływania.

Właściwości wzmacniające ośrodka aktywnego można znacznie zwiększyć stosując znaną w radiofizyce zasadę dodatniego sprzężenia zwrotnego, gdy część wzmocnionego sygnału wraca do ośrodka aktywnego i jest ponownie wzmacniana. Jeśli w tym przypadku wzmocnienie przewyższa wszystkie straty, w tym te, które są wykorzystywane jako sygnał użyteczny (straty użyteczne), następuje tryb samodzielnego generowania.

Samogeneracja rozpoczyna się wraz z pojawieniem się spontanicznych przejść i rozwija się do pewnego stacjonarnego poziomu, wyznaczonego przez równowagę między zyskiem a stratą.

W elektronice kwantowej, aby wytworzyć dodatnie sprzężenie zwrotne na danej długości fali, stosuje się głównie otwarte rezonatory - układ dwóch zwierciadeł, z których jedno (głuchy) może być całkowicie nieprzezroczyste, drugie (wyjście) jest półprzezroczyste.

Obszar generacji lasera odpowiada zakresowi optycznemu fal elektromagnetycznych, dlatego rezonatory laserowe nazywane są również rezonatorami optycznymi.

Typowy schemat funkcjonalny lasera z powyższymi elementami pokazano na rysunku 1.

Obowiązkowym elementem konstrukcji lasera gazowego musi być osłona (rura wyładowcza), w której objętości pod danym ciśnieniem znajduje się gaz o określonym składzie. Końcowe boki skorupy przesłonięte są okienkami wykonanymi z materiału przezroczystego dla promieniowania laserowego. Ta funkcjonalna część urządzenia nazywana jest elementem aktywnym. Aby ograniczyć straty spowodowane odbiciami od ich powierzchni, okna montuje się pod kątem Brewstera. Promieniowanie laserowe w takich urządzeniach jest zawsze spolaryzowane.

Element aktywny wraz z lustrami rezonatora zainstalowanymi na zewnątrz elementu aktywnego nazywany jest emiterem. Możliwa jest opcja, w której zwierciadła rezonatora są mocowane bezpośrednio na końcach płaszcza elementu aktywnego, pełniąc jednocześnie funkcję okienek uszczelniających objętość gazu (laser ze zwierciadłami wewnętrznymi).

Zależność wzmocnienia ośrodka aktywnego od częstotliwości (obwodu wzmocnienia) jest określona przez kształt linii widmowej roboczego przejścia kwantowego. Generacja lasera zachodzi w tym obwodzie tylko przy takich częstotliwościach, przy których w przestrzeni pomiędzy zwierciadłami mieści się całkowita liczba półfali. W tym przypadku w wyniku interferencji fal do przodu i do tyłu w rezonatorze powstają tzw. fale stojące z węzłami energetycznymi na zwierciadłach.

Struktura pola elektromagnetycznego fal stojących w rezonatorze może być bardzo zróżnicowana. Jego specyficzne konfiguracje są zwykle nazywane trybami. Oscylacje o różnych częstotliwościach, ale z tym samym rozkładem pola w kierunku poprzecznym, nazywane są modami podłużnymi (lub osiowymi). Związane są z falami rozchodzącymi się ściśle wzdłuż osi rezonatora. Oscylacje różniące się między sobą rozkładem pola odpowiednio w kierunku poprzecznym, w trybach poprzecznych (lub nieosiowych). Są one związane z falami rozchodzącymi się pod różnymi małymi kątami do osi i odpowiednio posiadającymi składową poprzeczną wektora falowego. Do oznaczenia różnych trybów używany jest następujący skrót: TEMmn. W tym zapisie m i n są wskaźnikami pokazującymi okresowość zmiany pola w zwierciadłach wzdłuż różnych współrzędnych w kierunku poprzecznym. Jeżeli podczas pracy lasera generowany jest tylko mod podstawowy (najniższy), mówimy o trybie pracy jednomodowym. Jeżeli istnieje kilka trybów poprzecznych, tryb ten nazywany jest trybem wielomodowym. Podczas pracy w trybie jednomodowym możliwa jest generacja na kilku częstotliwościach z różną liczbą modów podłużnych. Jeżeli laserowanie występuje tylko w jednym modzie podłużnym, mówimy o trybie jednoczęstotliwościowym.

Rysunek 1 – Schemat lasera gazowego.

Na rysunku zastosowano następujące oznaczenia:

  1. Zwierciadła rezonatora optycznego;
  2. Okna rezonatora optycznego;
  3. Elektrody;
  4. Rura wyładowcza gazu.

2 Budowa i zasada działania lasera CO2

Urządzenie laserowe CO 2 pokazano schematycznie na rysunku 2.


Rysunek 2 – Zasada działania lasera CO2.

Jednym z najpowszechniejszych typów laserów CO 2 są lasery dynamiczne gazowe. W nich odwrotną populację wymaganą dla promieniowania laserowego osiąga się dzięki wstępnemu podgrzaniu gazu do 1500 K pod ciśnieniem 20–30 atm. , dostaje się do komory roboczej, gdzie rozszerza się, a jego temperatura i ciśnienie gwałtownie spadają. Lasery takie mogą wytwarzać promieniowanie ciągłe o mocy do 100 kW.

Do wytworzenia ośrodka aktywnego (jak to się mówi „pompującego”) laserów CO 2 najczęściej stosuje się wyładowanie jarzeniowe prądem stałym. Ostatnio coraz częściej stosuje się wyładowania o wysokiej częstotliwości. Ale to jest osobny temat. Wyładowania wysokiej częstotliwości i najważniejsze zastosowania, jakie znalazły w naszych czasach (nie tylko w technologii laserowej) to temat na osobny artykuł. O ogólnych zasadach działania laserów CO 2 wyładowczych, problemach pojawiających się w tym przypadku oraz niektórych konstrukcjach opartych na wykorzystaniu wyładowań prądu stałego.

Już na początku lat 70-tych, w trakcie opracowywania laserów CO 2 dużej mocy, stało się jasne, że wyładowanie charakteryzuje się nieznanymi dotąd cechami i niestabilnością, która jest destrukcyjna dla laserów. Stanowią one niemal nieprzezwyciężalną przeszkodę w próbach wypełnienia dużej objętości plazmą pod podwyższonym ciśnieniem, czyli dokładnie tym, co jest wymagane do uzyskania dużej mocy lasera. Być może żaden z problemów natury stosowanej nie służył w ostatnich dziesięcioleciach postępowi nauki o wyładowaniach elektrycznych w gazach tak bardzo, jak problem wytworzenia laserów CO 2 o fali ciągłej dużej mocy.

Rozważmy zasadę działania lasera CO2.

Ośrodkiem aktywnym prawie każdego lasera jest substancja, w której można utworzyć odwróconą populację w określonych cząsteczkach lub atomach na określonej parze poziomów. Oznacza to, że liczba cząsteczek w górnym stanie kwantowym, odpowiadająca przejściu promieniowania laserowego, przewyższa liczbę cząsteczek w dolnym stanie. W odróżnieniu od zwykłej sytuacji wiązka światła przechodząca przez taki ośrodek nie jest pochłaniana, lecz wzmacniana, co otwiera możliwość generowania promieniowania.

Czy wiedziałeś, Czym jest eksperyment myślowy, eksperyment gedanken?
To nieistniejąca praktyka, nieziemskie doświadczenie, wyobrażenie czegoś, co tak naprawdę nie istnieje. Eksperymenty myślowe są jak sny na jawie. Rodzą potwory. W przeciwieństwie do eksperymentu fizycznego, który jest eksperymentalnym testem hipotez, „eksperyment myślowy” w magiczny sposób zastępuje testowanie eksperymentalne pożądanymi wnioskami, które nie zostały przetestowane w praktyce, manipulując konstrukcjami logicznymi, które w rzeczywistości naruszają samą logikę, wykorzystując niesprawdzone przesłanki jako sprawdzone, czyli to przez podstawienie. Zatem głównym zadaniem wnioskodawców „eksperymentów myślowych” jest oszukanie słuchacza lub czytelnika poprzez zastąpienie prawdziwego eksperymentu fizycznego jego „lalką” - fikcyjnym rozumowaniem na zwolnieniu warunkowym bez samej fizycznej weryfikacji.
Wypełnienie fizyki wyimaginowanymi „eksperymentami myślowymi” doprowadziło do powstania absurdalnego, surrealistycznego, zagmatwanego obrazu świata. Prawdziwy badacz musi odróżnić takie „opakowania po cukierkach” od prawdziwych wartości.

Relatywiści i pozytywiści twierdzą, że „eksperymenty myślowe” są bardzo przydatnym narzędziem do testowania teorii (również powstających w naszych umysłach) pod kątem spójności. W ten sposób oszukują ludzi, ponieważ wszelka weryfikacja może zostać przeprowadzona jedynie przez źródło niezależne od przedmiotu weryfikacji. Sam wnioskodawca hipotezy nie może być sprawdzianem własnego twierdzenia, gdyż przyczyną samego tego twierdzenia jest brak widocznych dla wnioskodawcy sprzeczności w stwierdzeniu.

Widzimy to na przykładzie SRT i GTR, które stały się rodzajem religii kontrolującej naukę i opinię publiczną. Żadna ilość faktów, które są z nimi sprzeczne, nie jest w stanie pokonać formuły Einsteina: „Jeśli fakt nie odpowiada teorii, zmień fakt” (W innej wersji: „Czy fakt nie odpowiada teorii? - Tym gorzej dla faktu ”).

Maksymalne osiągnięcie „eksperymentu myślowego” to jedynie wewnętrzna spójność hipotezy w ramach własnej, często bynajmniej nie prawdziwej, logiki wnioskodawcy. Nie sprawdza to zgodności z praktyką. Prawdziwa weryfikacja może nastąpić jedynie w drodze rzeczywistego eksperymentu fizycznego.

Eksperyment jest eksperymentem, ponieważ nie jest udoskonaleniem myślenia, ale testem myślenia. Myśl, która jest samospójna, nie może się zweryfikować. Udowodnił to Kurt Gödel.