Laser de injecție cu semiconductor. Curs laser semiconductor Calculul si proiectarea unui laser semiconductor

Laseruri de injecție cu semiconductori, la fel ca un alt tip de emițători cu stare solidă - LED-uri, sunt cel mai important element al oricărui sistem optoelectronic. Funcționarea ambelor dispozitive se bazează pe fenomen electroluminiscență.În raport cu emițătorii semiconductori de mai sus, mecanismul de electroluminiscență este realizat de recombinare radiativă purtători de sarcină neechilibrați injectați prin joncțiune p-n.

Primele LED-uri au apărut la începutul anilor 50 și 60 ai secolului XX și deja în 1961. N.G. Basov, O.N. Krokhin și Yu.M. Popov a propus utilizarea injecției în joncțiuni p-n degenerate pentru a obține un efect laser. În 1962, fizicienii americani R. Hall et al. A fost posibil să se înregistreze o îngustare a liniei de emisie spectrală a unui LED semiconductor, care a fost interpretată ca o manifestare a efectului laser („superradiație”). În 1970, fizicienii ruși - Zh.I. Alferov et al. au fost făcute primele lasere cu heterostructură. Acest lucru a făcut posibilă realizarea dispozitivelor potrivite pentru producția în serie în masă, care a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru fizică în 2000. În prezent, laserele cu semiconductor sunt cele mai utilizate pe scară largă în principal în dispozitivele pentru înregistrarea și citirea informațiilor de pe computer, CD-uri audio și video. Principalele avantaje ale laserelor semiconductoare sunt:

1. Economic, asigurată de eficiența ridicată a conversiei energiei pompei în energie de radiație coerentă;

2. inerție scăzută, datorită timpilor caracteristici scurti pentru stabilirea modului de generare (~ 10 -10 s);

3. Compactitate, asociat cu proprietatea semiconductorilor de a oferi un câștig optic enorm;

4. Dispozitiv simplu alimentare de joasă tensiune, compatibilitate cu circuite integrate („microcipuri”);

5. Oportunitate reglare lină a lungimii de undă pe o gamă largă datorită dependenței proprietăților optice ale semiconductorilor de temperatură, presiune etc.

Caracteristica principalăîn ele se folosesc lasere cu semiconductor tranziții optice care implică niveluri de energie (stări energetice) principalele zone de energie electronică cristal. Aceasta este diferența dintre laserele semiconductoare și, de exemplu, laserele rubin, care utilizează tranziții optice între nivelurile de impurități ale ionului de crom Cr 3+ în Al 2 O 3 . Pentru utilizarea în laserele semiconductoare, compușii semiconductori A III B V s-au dovedit a fi cei mai potriviți (vezi Introducere). Este pe baza acestor compuși și a acestora solutii solide Majoritatea laserelor cu semiconductor sunt fabricate de industrie. În multe materiale semiconductoare din această clasă, recombinarea purtătorilor de curent în exces este realizată de direct tranziții optice între stările umplute în apropierea inferioară a benzii de conducție și stările libere în apropierea vârfului benzii de valență (Fig. 1). Probabilitate mare de tranziții optice în direct-decalaj semiconductori și o densitate mare de stări în benzi fac posibilă obținerea câștig optic ridicatîntr-un semiconductor.

Fig.1. Emisia de fotoni în timpul recombinării radiative într-un semiconductor cu gol direct cu populație inversată.

Să luăm în considerare principiile de bază ale funcționării unui laser semiconductor. Dacă cristalul semiconductor este într-o stare echilibru termodinamic cu mediul înconjurător, atunci el este doar capabil absorbi radiația incidentă pe ea. Intensitatea luminii care parcurge o distanta intr-un cristal X, este dat de relația cunoscută Bouguer-Lambert

Aici R- coeficientul de reflexie a luminii;

α - coeficient de absorbție a luminii.

Pentru a lăsa lumina intensificată trecând prin cristal mai degrabă decât să fie slăbit, se cere ca coeficientul α a fost mai mică decât zero, adică mediu de echilibru termodinamic este imposibil. Pentru ca orice laser (gaz, lichid, solid) să funcționeze, este necesar ca mediul de lucru al laserului să fie într-o stare populație inversă - o stare în care numărul de electroni la niveluri mari de energie ar fi mai mare decât la niveluri mai mici de energie (această stare este numită și „stare de temperatură negativă”). Să obținem o relație care descrie starea cu populație inversată în semiconductori.

Lăsa ε 1Și ε 2 – cuplate optic niveluri de energie între ele, primul fiind în banda de valență, iar al doilea în banda de conducere a semiconductorului (Fig. 2). Termenul „cuplat optic” înseamnă că tranzițiile de electroni între ei sunt permise de regulile de selecție. Absorbția unui cuantum de lumină cu energie hν 12, electronul se deplasează de la nivel ε 1 pe nivel ε 2. Viteza unei astfel de tranziții va fi proporțională cu probabilitatea populării primului nivel f 1, probabilitatea ca al doilea nivel să fie gol: (1- f 2) și densitatea fluxului fotonic P(hν 12)

Tranziția inversă - de la nivelul superior la cel inferior, poate avea loc în două moduri - datorită spontanȘi forţat recombinare. În al doilea caz, interacțiunea unui cuantum de lumină cu un electron situat la nivelul ε 2 „forțează” electronul să se recombine cu emisie cuantumul luminii, identic cel care a provocat procesul de recombinare forţată. Acea. Amplificarea luminii are loc în sistem, care este esența funcționării laserului. Ratele recombinării spontane și forțate vor fi scrise astfel:

(3)

Într-o stare de echilibru termodinamic

. (5)

Folosind condiția 5, se poate demonstra că coeficienții LA 12, LA 21Și A 21(„coeficienții Einstein”) sunt legați între ei și anume:

, (6)

Unde n – indicele de refracție semiconductor; Cu- viteza luminii.

În cele ce urmează însă, nu vom lua în considerare recombinarea spontană, întrucât rata recombinării spontane nu depinde de densitatea fluxului fotonic în mediul de lucru al laserului, iar rata recombinării forțate va fi la valori mari Р(hν 12) depășesc semnificativ rata recombinării spontane. Pentru ca amplificarea luminii să aibă loc, viteza tranzițiilor forțate de sus în jos trebuie să depășească viteza tranzițiilor de jos în sus:

După ce am notat probabilitățile ca electronii să ocupe niveluri cu energie ε 1Și ε 2 la fel de

, (8)

obținem condiția pentru populație inversă în semiconductori

deoarece distanta minima intre niveluri ε 1Și ε 2 exact egal cu banda interzisă a semiconductorului εg. Această relație este cunoscută ca Relația Bernard-Durafour.

Formula 9 include valorile așa-numitelor. niveluri cvasi-Fermi- Nivele Fermi separat pentru banda de conducere F Cși banda de valență F V. Această situație este posibilă doar pentru o situație de neechilibru, sau mai precis, pentru cvasi-echilibru sisteme. Pentru a forma niveluri Fermi în ambele benzi permise (niveluri care separă stările umplute cu electroni și cele goale (vezi Introducere)), este necesar ca timpul de relaxare a pulsului existau mai multe ordine de mărime de electroni și găuri mai puțină viață purtători de taxe suplimentare:

Ca urmare neechilibruîn general, gazul electron-gaură poate fi considerat ca o combinație electronic de echilibru gaz în zona de conducere și gaura de echilibru gaz în banda de valență (Fig. 2).


Fig.2. Diagrama energetică a unui semiconductor cu populație de nivel inversat. Stările pline cu electroni sunt umbrite.

Procedura de creare a unei populații inverse în mediul de lucru al unui laser (în cazul nostru, într-un cristal semiconductor) se numește pompare. Laserele semiconductoare pot fi pompate din exterior cu lumină, un fascicul de electroni rapid, un câmp puternic de radiofrecvență sau ionizare de impact în semiconductorul însuși. Dar cel mai simplu, cel mai economic și, datorită faptului, cel mai comun modalitatea de a pompa lasere semiconductoare este injectare purtători de taxe într-o joncţiune p-n degenerată(vezi manualul metodologic „Fizica dispozitivelor semiconductoare”; diodă tunel). Principiul unei astfel de pompari este clar din Fig. 3, unde diagrama energetică o astfel de tranziţie într-o stare de echilibru termodinamic şi la prejudecată mare înainte. Se poate observa că în regiunea d, direct adiacentă joncțiunii p-n, se realizează populația inversă - distanța energetică dintre nivelurile cvasi-Fermi este mai mare decât band gap.

Fig.3. O joncțiune pn degenerată într-o stare de echilibru termodinamic (stânga) și cu o polarizare mare înainte (dreapta).

Cu toate acestea, crearea de populație inversă în mediul de lucru este necesar, dar de asemenea nu este o condiție suficientă pentru a genera radiații laser. În orice laser, și în special într-un laser semiconductor, o parte din puterea pompei furnizată dispozitivului se va pierde inutil. Și numai atunci când puterea de pompare depășește o anumită valoare - pragul generatiei, laserul începe să funcționeze ca un amplificator de lumină cuantică. Când pragul de generare este depășit:

· A) crește brusc intensitatea radiației emise de dispozitiv (Fig. 4a);

b) se îngustează spectral linia radiații (Fig. 4b);

· c) radiaţia devine coerent și îngust concentrat.

Fig.4. Creșterea intensității (stânga) și îngustarea liniei spectrale de emisie (dreapta) a unui laser semiconductor atunci când curentul depășește valoarea de prag.

Pentru a obține condiții de prag de laser, mediul de lucru cu laser este de obicei plasat rezonator optic. Acest mărește lungimea căii optice a fasciculului de lumină în mediul de lucru, facilitează atingerea pragului de laser, promovează o mai bună focalizare a fasciculului etc. Dintre varietatea de tipuri de rezonatoare optice din laserele semiconductoare, cea mai comună este cea mai simplă Rezonator Fabry-Perot– două oglinzi plan-paralele perpendiculare pe joncțiunea pn. Mai mult decât atât, marginile lustruite ale cristalului semiconductor în sine sunt folosite ca oglinzi.

Să luăm în considerare trecerea unei unde electromagnetice printr-un astfel de rezonator. Să considerăm coeficientul de transmisie și reflexie al oglinzii din stânga a rezonatorului t 1Și r 1, dreapta (prin care iese radiația) - în spate t 2Și r 2; lungimea rezonatorului - L. Lasă o undă electromagnetică să cadă pe partea stângă a cristalului din exterior, a cărei ecuație va fi scrisă sub forma:

. (11)

După ce a trecut prin oglinda din stânga, cristalul și oglinda dreaptă, o parte din radiație va ieși prin partea dreaptă a cristalului, iar o parte va fi reflectată și va merge din nou în partea stângă (Fig. 5).

Fig.5. Undă electromagnetică într-un rezonator Fabry-Perot.

Calea ulterioară a fasciculului în rezonator, amplitudinile fasciculelor emergente și reflectate sunt clare din figură. Să însumăm amplitudinile tuturor undelor electromagnetice eliberate prin partea dreaptă a cristalului:

= (12).

Vom cere ca suma amplitudinilor tuturor undelor care ies prin partea dreaptă să nu fie egală cu zero, chiar și cu o amplitudine dispărut de mică a undei pe partea stângă a cristalului. Evident, acest lucru se poate întâmpla numai atunci când numitorul fracției din (12) tinde spre zero. De aici obținem:

, (13)

și ținând cont de faptul că intensitatea luminii, adică; , Unde R 1 , R 2 - coeficienții de reflexie ai oglinzilor - fețele de cristal „prin intensitate” și, în plus, vom scrie în sfârșit raportul pentru pragul de laser ca:

. (14)

Din (11) rezultă că factorul 2G inclus în exponent este legat de indicele complex de refracție al cristalului:

În partea dreaptă a (15), primul termen determină faza undei luminoase, iar al doilea, amplitudinea. Într-un mediu obișnuit, în echilibru termodinamic, are loc atenuarea (absorbția) luminii; în mediul de lucru activ al unui laser, aceeași relație ar trebui scrisă sub forma , Unde g - câștig de lumină, și simbolul αi desemnat toate pierderile energie de pompare, nu neapărat de natură optică. Apoi starea pragului de amplitudine va fi rescris ca:

sau . (16)

Astfel, am definit necesar(9) și suficient(16) condiții pentru generarea unui laser semiconductor. De îndată ce valoarea câştig va depăşi pierderi cu o cantitate determinată de primul termen (16), într-un mediu de lucru cu o populație inversă de niveluri, lumina va începe să se intensifice. Câștigul în sine va depinde de puterea pompei sau, ceea ce este același pentru laserele de injecție, de mărime Curent de funcționare.În zona de lucru tipică a laserelor semiconductoare și depinde liniar de curentul de funcționare

. (17)

De la (16) și (17) pentru curent de prag primim:

, (18)

unde prin eu 0 este desemnat așa-numitul „pragul de inversare” este valoarea curentului de funcționare la care se realizează populația inversă în semiconductor. Deoarece de obicei, primul termen din (18) poate fi neglijat.

Factorul de proporționalitate β pentru un laser care utilizează o joncțiune p-n convențională și realizat, de exemplu, din GaAs poate fi calculat folosind formula

, (19)

Unde Eşi Δ E – poziţia şi jumătatea lăţimii liniei spectrale a radiaţiei laser.

Calculul folosind formula 18 dă la temperatura camerei T = 300 K pentru un astfel de laser valori foarte mari ale densității curentului de prag 5 . 10 4 A/cm 2, adică Astfel de lasere pot fi operate fie cu o răcire bună, fie în modul de impuls scurt. Prin urmare, după cum sa menționat mai sus, doar crearea în 1970 de către grupul lui Zh.I. Alferov lasere cu heterojoncție permis reduce cu 2 ordine de mărime curenții de prag ai laserelor semiconductoare, care au dus în cele din urmă la utilizarea pe scară largă a acestor dispozitive în electronică.

Pentru a înțelege cum s-a realizat acest lucru, să aruncăm o privire mai atentă structura pierderilorîn laserele semiconductoare. La nespecific, comune tuturor laserelor, iar în principiu pierderi ireparabile pierderile ar trebui să fie atribuite tranziții spontane si pierderi pe termicizare.

Tranziții spontane de la nivelul superior la nivelul inferior vor fi mereu prezente, iar din moment ce cuantele de lumină emise în acest caz vor avea o distribuție aleatorie în fază și direcție de propagare (nu vor coerent), atunci cheltuiala energiei pompei pentru generarea de perechi electron-gaură care se recombină spontan ar trebui clasificată ca pierderi.

Cu orice metodă de pompare, electronii cu o energie mai mare decât energia nivelului cvasi-Fermi vor fi aruncați în banda de conducție a semiconductorului. F C. Acești electroni, pierzând energie în ciocnirile cu defectele rețelei, cad rapid la nivelul cvasi-Fermi - un proces numit termicizare. Energia pierdută de electroni atunci când sunt împrăștiați pe defectele rețelei este pierderea prin termicizare.

LA parțial detașabil pierderile pot include pierderi pe recombinare neradiativă. În semiconductori cu gol direct, nivelurile de impurități profunde sunt de obicei responsabile pentru recombinarea neradiativă (vezi „Efectul fotoelectric în semiconductori omogene”). Curățarea atentă a cristalului semiconductor de impuritățile care formează astfel de niveluri reduce probabilitatea recombinării neradiative.

Și în sfârșit, pierderile pe absorbție nerezonantăși pe curenti de scurgere poate fi redus semnificativ prin utilizarea laserelor pentru fabricație heterostructuri.

Spre deosebire de joncțiunile p-n convenționale, în care semiconductori identici sunt localizați la dreapta și la stânga punctului de contact, diferă doar prin compoziția impurităților și tipul de conductivitate, în heterostructuri, semiconductori cu compoziții chimice diferite sunt localizați pe ambele părți ale contactului. Acești semiconductori au benzi interzise diferite, astfel încât în ​​punctul de contact va exista un „salt” în energia potențială a electronului (tipul „cârlig” sau tipul „perete” (Fig. 6)).


Fig.6. Un laser de injecție bazat pe o heterostructură cu două fețe în stare de echilibru termodinamic (stânga) și în regim de funcționare (dreapta).

În funcție de tipul de conductivitate al semiconductorilor, heterostructurile pot fi izotipic(p-P; n-N heterostructuri) și anizotipic(p-N; n-P heterostructuri). În heterostructuri, majusculele denotă de obicei un semiconductor cu o bandă interzisă mai mare. Nu toți semiconductorii sunt capabili să formeze heterostructuri de înaltă calitate, potrivite pentru crearea de dispozitive electronice pe baza acestora. Pentru ca interfața să conțină cât mai puține defecte, componentele heterostructurii trebuie să aibă aceeași structură cristalină si foarte valori apropiate constantă reticulat. Dintre semiconductori din grupa A III B V, doar două perechi de compuși îndeplinesc această cerință: GaAs-AlAs și GaSb-AlSb și solutii solide(vezi Introducere), i.e. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Prin complicarea compoziției semiconductorilor, este posibil să se selecteze alte perechi potrivite pentru crearea heterostructurilor, de exemplu InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. Laserele de injecție sunt, de asemenea, realizate din heterostructuri bazate pe compuși semiconductori A IV B VI, cum ar fi PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - aceste lasere emit în regiunea infraroșu îndepărtat a spectrului.

Pierderi pe curenti de scurgereîn heterolasere este posibil să-l elimine aproape complet datorită diferenței dintre benzile interzise ale semiconductorilor care formează heterostructura. Într-adevăr (Fig. 3), lățimea regiunii d în apropierea unei joncțiuni p-n convenționale, unde condiția populației inverse este îndeplinită, este de numai 1 μm, în timp ce purtătorii de sarcină injectați prin joncțiune se recombină într-o regiune mult mai mare L n + L p cu o lățime de 10 μm . Recombinarea purtătorilor în această regiune nu contribuie la emisia coerentă. ÎN bilateral Regiune heterostructură N-p-P (Fig. 6) cu populație inversată coincide cu grosimea stratului semiconductor cu goluri îngusteîn centrul heterolaserului. Aproape totul electroni și găuri injectate în această regiune de la semiconductori cu decalaj larg acolo se recombină. Barierele potențiale de la interfața dintre semiconductorii cu decalaj larg și decalaj îngust împiedică „răspândirea” purtătorilor de sarcină, ceea ce crește dramatic eficiența unei astfel de structuri în comparație cu o joncțiune p-n convențională (Fig. 3).

Nu numai electronii și găurile de neechilibru vor fi concentrați în stratul unui semiconductor cu decalaj îngust, ci și cea mai mare parte a radiațiilor. Motivul acestui fenomen este că semiconductorii care alcătuiesc heterostructura diferă în ceea ce privește valoarea indicelui lor de refracție. De obicei, indicele de refracție este mai mare pentru un semiconductor cu distanță îngustă. Prin urmare, toate razele au un unghi de incidență la limita a doi semiconductori

, (20)

va suferi reflecție internă totală.În consecință, radiația va fi „blocată” în stratul activ (Fig. 7), ceea ce va reduce semnificativ pierderile în absorbție nerezonantă(de obicei, aceasta este așa-numita „absorbție de către purtătorii de taxe gratuite”).

Fig.7. Limitare optică în timpul propagării luminii într-o heterostructură. La un unghi de incidență mai mare decât θ, are loc reflexia internă totală de la interfața dintre semiconductorii care alcătuiesc heterostructura.

Toate cele de mai sus fac posibilă obținerea în heterolasere câștig optic uriaș cu dimensiuni microscopice ale regiunii active: grosimea stratului activ, lungimea rezonatorului . Heterolaserele funcționează la temperatura camerei în modul continuu, și caracteristică densitatea curentului de operare nu depăşesc 500 A/cm2. Spectrul de emisie majoritatea laserelor produse comercial în care mediul de lucru este arseniura de galiu, reprezintă o linie îngustă cu un maxim în regiunea infraroșu apropiat a spectrului , deși au fost dezvoltate lasere semiconductoare care produc radiații vizibile și lasere care emit în regiunea infraroșu îndepărtat cu .

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Documente similare

    Propagarea unui impuls de energie electromagnetică de-a lungul unui ghid de lumină. Dispersia intermodală în fibre multimodale. Determinarea dispersiei intra-mod. Materialul și dispersia ghidului de undă într-un ghid de lumină cu fibre monomod. Lungime de undă cu dispersie zero.

    test, adaugat 18.05.2011

    Mecanism de pompare prin injecție. Mărimea tensiunii de polarizare. Principalele caracteristici ale laserelor semiconductoare și grupele acestora. Spectrul de emisie tipic al unui laser semiconductor. Valorile curenților de prag. Puterea radiației laser în modul pulsat.

    prezentare, adaugat 19.02.2014

    Calculul lungimii secțiunii de regenerare a unui sistem de fibră optică (FOLS) pentru transmiterea informațiilor în funcție de parametrii dați ai potențialului energetic al sistemului și dispersie în ghiduri de lumină din fibre. Evaluarea vitezei liniilor de comunicație prin fibră optică. Definiţia bandwidth.

    test, adaugat 29.05.2014

    Amplificatoare de semnal optic cu erbiu. Parametrii amplificatoarelor cu fibră. Puterea de ieșire a semnalului și eficiența energetică a pompei. Lățimea și uniformitatea benzii de câștig. Laser cu pompă semiconductoare „LATUS-K”. Design cu laser al pompei.

    teză, adăugată 24.12.2015

    Etape de dezvoltare și perspective de implementare a unui proiect de creare a unui complex laser low-cost bazat pe un laser semiconductor destinat procesării materialelor organice. Studiul principalelor parametri și caracteristici ale fotodetectorului.

    lucrare curs, adaugat 15.07.2015

    Calculul unei structuri laser semiconductoare pe baza conexiunilor grupurilor a treia și a cincea pentru liniile de comunicație cu fibră optică de a treia generație. Alegerea structurii cristaline. Calculul parametrilor, rezonator DFB, ieșire cuantică internă, confinare optică.

    lucrare de curs, adăugată 11.05.2015

    Pozarea unui cablu de fibră optică folosind echipamente SDH ierarhie digitală sincronă (SDH), în locul sistemului compact K-60p, pe secțiunea Dzhetygara - Komsomolets. Calculul nivelurilor maxime admise de radiație ale unui laser semiconductor.

    teză, adăugată 11.06.2014

    Incidența unei unde plane pe interfața dintre două medii, raportul dintre impedanțele undei și componentele câmpului. Propagarea undelor polarizate într-o fibră metalică, calculul adâncimii lor de penetrare. Determinarea câmpului în interiorul unui ghid de lumină dielectrică.

    lucru curs, adăugat 06.07.2011

Introducere

Una dintre cele mai remarcabile realizări ale fizicii din a doua jumătate a secolului al XX-lea a fost descoperirea fenomenelor fizice care au servit drept bază pentru crearea dispozitivului uimitor al unui generator cuantic optic, sau laser.

Laserul este o sursă de lumină monocromatică coerentă cu un fascicul de lumină extrem de directiv.

Generatoarele cuantice sunt o clasă specială de dispozitive electronice care încorporează cele mai moderne realizări în diverse domenii ale științei și tehnologiei.

Laserele cu gaz sunt cele în care mediul activ este un gaz, un amestec de mai multe gaze sau un amestec de gaze cu vapori de metal.

Laserele cu gaz sunt cel mai utilizat tip de laser astăzi. Printre diferitele tipuri de lasere cu gaz, este întotdeauna posibil să găsiți un laser care să satisfacă aproape orice cerințe laser, cu excepția puterii foarte mari în regiunea vizibilă a spectrului în modul pulsat.

Sunt necesare puteri mari pentru multe experimente atunci când se studiază proprietățile optice neliniare ale materialelor. În prezent, la laserele cu gaz nu s-au obținut puteri mari din cauza faptului că densitatea atomilor din acestea nu este suficient de mare. Cu toate acestea, pentru aproape toate celelalte scopuri, poate fi găsit un tip specific de laser cu gaz care va fi superior atât laserelor cu stare solidă pompate optic, cât și laserelor semiconductoare.

Un grup mare de lasere cu gaz este format din lasere cu descărcare în gaz, în care mediul activ este un gaz rarefiat (presiune 1–10 mm Hg), iar pomparea este realizată printr-o descărcare electrică, care poate fi strălucitoare sau arc și este creată. prin curent continuu sau curent alternativ de înaltă frecvenţă (10 –50 MHz).

Există mai multe tipuri de lasere cu descărcare în gaz. La laserele ionice, radiația este produsă de tranzițiile electronilor între nivelurile de energie ionică. Un exemplu este laserul cu argon, care utilizează o descărcare cu arc de curent continuu.

Laserele de tranziție atomică sunt generate de tranzițiile de electroni între nivelurile de energie atomică. Aceste lasere produc radiații cu o lungime de undă de 0,4–100 μm. Un exemplu este un laser heliu-neon care funcționează pe un amestec de heliu și neon la o presiune de aproximativ 1 mm Hg. Artă. Pentru pompare, se folosește o descărcare strălucitoare, creată de o tensiune constantă de aproximativ 1000 V.

Laserele cu descărcare în gaze includ, de asemenea, laserele moleculare, în care radiația provine din tranzițiile electronilor între nivelurile de energie ale moleculelor. Aceste lasere au o gamă largă de frecvențe corespunzătoare lungimii de undă de la 0,2 la 50 µm.

Cel mai comun laser molecular este dioxidul de carbon (laser CO 2 ). Poate produce putere de până la 10 kW și are o eficiență destul de ridicată de aproximativ 40%. La dioxidul de carbon principal se adaugă de obicei impurități de azot, heliu și alte gaze. Pentru pompare se folosește o descărcare luminoasă de curent continuu sau de înaltă frecvență. Un laser cu dioxid de carbon produce radiații cu o lungime de undă de aproximativ 10 microni.

Proiectarea generatoarelor cuantice necesită foarte multă muncă datorită varietății mari de procese care determină caracteristicile lor de performanță, dar, în ciuda acestui fapt, laserele cu dioxid de carbon sunt utilizate în multe domenii.

Pe baza laserelor cu CO 2, au fost dezvoltate și au fost dezvoltate cu succes sisteme de ghidare laser, sisteme de monitorizare a mediului bazate pe locație (lidar), instalații tehnologice pentru sudarea cu laser, tăierea metalelor și materialelor dielectrice, instalații pentru marcarea suprafețelor de sticlă și întărirea suprafeței produselor din oțel. operate. Laserele CO2 sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în sistemele de comunicații spațiale.

Obiectivul principal al disciplinei „Dispozitive și dispozitive cuantice optoelectronice” este de a studia fundamentele fizice, proiectarea, principiile de funcționare, caracteristicile și parametrii celor mai importante instrumente și dispozitive utilizate în sistemele de comunicații optice. Acestea includ generatoare și amplificatoare cuantice, modulatoare optice, fotodetectoare, elemente și dispozitive optice neliniare, componente optice holografice și integrate. Aceasta implică relevanța temei acestui proiect de curs.

Scopul acestui proiect de curs este de a descrie laserele cu gaz și de a calcula un laser cu heliu-neon.

În conformitate cu obiectivul, sunt rezolvate următoarele sarcini:

Studierea principiului de funcționare al unui generator cuantic;

Studiul proiectării și principiului de funcționare a unui laser CO 2;

Studierea documentației de siguranță atunci când lucrați cu lasere;

Calculul laserului CO 2.

1 Principiul de funcționare al unui generator cuantic

Principiul de funcționare al generatoarelor cuantice se bazează pe amplificarea undelor electromagnetice folosind efectul radiației forțate (induse). Amplificarea este asigurată de eliberarea de energie internă în timpul tranzițiilor atomilor, moleculelor și ionilor stimulați de radiația externă de la un anumit nivel de energie excitat superior la unul inferior (situat mai jos). Aceste tranziții forțate sunt cauzate de fotoni. Energia fotonului poate fi calculată folosind formula:

hν = E 2 - E 1,

unde E2 și E1 sunt energiile nivelurilor superioare și inferioare;

h = 6,626∙10-34 J∙s – constanta lui Planck;

ν = c/λ – frecvența radiației, c – viteza luminii, λ – lungimea de undă.

Excitația sau, așa cum se numește în mod obișnuit, pomparea, se realizează fie direct dintr-o sursă de energie electrică, fie datorită fluxului de radiație optică, a unei reacții chimice sau a unui număr de alte surse de energie.

În condiții de echilibru termodinamic, distribuția de energie a particulelor este determinată în mod unic de temperatura corpului și este descrisă de legea lui Boltzmann, conform căreia cu cât nivelul de energie este mai mare, cu atât concentrația particulelor într-o stare dată este mai mică, cu alte cuvinte. , cu atât populația este mai mică.

Sub influența pomparii, care perturbă echilibrul termodinamic, poate apărea situația opusă atunci când populația nivelului superior depășește populația celui inferior. Apare o afecțiune numită inversare a populației. În acest caz, numărul de tranziții forțate de la nivelul de energie superior la cel inferior, în timpul cărora are loc radiația stimulată, va depăși numărul de tranziții inverse însoțite de absorbția radiației originale. Deoarece direcția de propagare, faza și polarizarea radiației induse coincid cu direcția, faza și polarizarea radiației care afectează, are loc efectul amplificării acesteia.

Mediul în care radiația poate fi amplificată datorită tranzițiilor induse se numește mediu activ. Principalul parametru care îi caracterizează proprietățile de amplificare este coeficientul sau indicele de amplificare kν - un parametru care determină modificarea fluxului de radiație la frecvența ν pe unitatea de lungime a spațiului de interacțiune.

Proprietățile de amplificare ale mediului activ pot fi crescute semnificativ prin aplicarea principiului feedback-ului pozitiv, cunoscut în radiofizică, atunci când o parte din semnalul amplificat revine înapoi în mediul activ și este reamplificat. Dacă în acest caz câștigul depășește toate pierderile, inclusiv pe cele care sunt folosite ca semnal util (pierderi utile), are loc un mod de autogenerare.

Autogenerarea începe cu apariția tranzițiilor spontane și se dezvoltă la un anumit nivel staționar, determinat de echilibrul dintre câștig și pierdere.

În electronica cuantică, pentru a crea feedback pozitiv la o anumită lungime de undă, se folosesc predominant rezonatoare deschise - un sistem de două oglinzi, dintre care una (surdă) poate fi complet opac, a doua (ieșire) este translucidă.

Regiunea de generare a laserului corespunde gamei optice a undelor electromagnetice, motiv pentru care rezonatoarele laser sunt numite și rezonatoare optice.

O diagramă funcțională tipică a unui laser cu elementele de mai sus este prezentată în Figura 1.

Un element obligatoriu al proiectării unui laser cu gaz trebuie să fie o carcasă (tub cu descărcare în gaz), în volumul căruia există un gaz cu o anumită compoziție la o anumită presiune. Laturile de capăt ale carcasei sunt acoperite cu ferestre din material transparent la radiația laser. Această parte funcțională a dispozitivului se numește element activ. Pentru a reduce pierderile datorate reflexiei de pe suprafața lor, ferestrele sunt instalate la un unghi Brewster. Radiația laser în astfel de dispozitive este întotdeauna polarizată.

Elementul activ, împreună cu oglinzile rezonatoare instalate în afara elementului activ, se numește emițător. O opțiune este posibilă atunci când oglinzile rezonatoare sunt fixate direct de capetele carcasei elementului activ, îndeplinind simultan funcția de ferestre pentru a sigila volumul de gaz (laser cu oglinzi interioare).

Dependența câștigului mediului activ de frecvență (circuit de câștig) este determinată de forma liniei spectrale a tranziției cuantice de lucru. Generarea laserului are loc numai la astfel de frecvențe în cadrul acestui circuit la care un număr întreg de semi-unde se potrivește în spațiul dintre oglinzi. În acest caz, ca urmare a interferenței undelor înainte și înapoi în rezonator, se formează așa-numitele unde staționare cu noduri de energie pe oglinzi.

Structura câmpului electromagnetic al undelor staționare într-un rezonator poate fi foarte diversă. Configurațiile sale specifice sunt de obicei numite moduri. Oscilațiile cu frecvențe diferite, dar aceeași distribuție a câmpului în direcția transversală se numesc moduri longitudinale (sau axiale). Ele sunt asociate cu undele care se propagă strict de-a lungul axei rezonatorului. Oscilații care diferă unele de altele în distribuția câmpului în direcția transversală, respectiv, în moduri transversale (sau non-axiale). Ele sunt asociate cu unde se propagă la diferite unghiuri mici față de axă și, în mod corespunzător, au o componentă transversală a vectorului de undă. Următoarea abreviere este folosită pentru a desemna diferitele moduri: TEMmn. În această notație, m și n sunt indici care arată periodicitatea schimbării câmpului pe oglinzi de-a lungul diferitelor coordonate în direcția transversală. Dacă în timpul funcționării laser este generat doar modul fundamental (cel mai scăzut), vorbim de un mod de funcționare monomod. Când există mai multe moduri transversale, modul se numește multimod. Când funcționează într-un mod monomod, generarea este posibilă la mai multe frecvențe cu un număr diferit de moduri longitudinale. Dacă laserul are loc pe un singur mod longitudinal, vorbim de un mod cu o singură frecvență.

Figura 1 – Diagrama laser cu gaz.

Următoarele denumiri sunt utilizate în figură:

  1. Oglinzi cu rezonanță optică;
  2. Ferestre cu rezonatoare optice;
  3. Electrozi;
  4. Tub de descărcare de gaz.

2 Proiectarea și principiul de funcționare a unui laser CO 2

Dispozitivul laser CO2 este prezentat schematic în Figura 2.


Figura 2 – Principiul unui laser CO2.

Unul dintre cele mai comune tipuri de lasere cu CO 2 este laserele cu gaz dinamic. În ele, populația inversă necesară pentru radiația laser este realizată datorită faptului că gazul este preîncălzit la 1500 K la o presiune de 20-30 atm. , intră în camera de lucru, unde se extinde, iar temperatura și presiunea acesteia scad brusc. Astfel de lasere pot produce radiații continue cu o putere de până la 100 kW.

Pentru a crea mediul activ (așa cum se spune, „pomparea”) laserelor cu CO 2, se folosește cel mai adesea o descărcare luminoasă de curent continuu. Recent, descărcarea de înaltă frecvență a fost folosită din ce în ce mai mult. Dar acesta este un subiect separat. Descărcările de înaltă frecvență și cele mai importante aplicații pe care le-a găsit în vremurile noastre (nu doar în tehnologia laser) fac subiectul unui articol separat. Despre principiile generale de funcționare ale laserelor cu CO 2 cu descărcare electrică, problemele care apar în acest caz și unele proiecte bazate pe utilizarea unei descărcări de curent continuu.

La începutul anilor '70, în timpul dezvoltării laserelor cu CO 2 de mare putere, a devenit clar că descărcarea era caracterizată de trăsături și instabilități necunoscute până acum, care erau distructive pentru lasere. Ele ridică obstacole aproape de netrecut în încercarea de a umple un volum mare cu plasmă la presiune ridicată, ceea ce este exact ceea ce este necesar pentru a obține puteri mari ale laserului. Poate că nici una dintre problemele de natură aplicată nu a servit în ultimele decenii la progresul științei descărcării electrice în gaze la fel de mult ca problema creării de lasere cu CO 2 cu undă continuă de mare putere.

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui laser CO 2 .

Mediul activ al aproape oricărui laser este o substanță în care se poate crea o populație inversată în anumite molecule sau atomi dintr-o anumită pereche de niveluri. Aceasta înseamnă că numărul de molecule din starea cuantică superioară, corespunzătoare tranziției laser de radiație, depășește numărul de molecule din cea inferioară. Spre deosebire de situația obișnuită, un fascicul de lumină care trece printr-un astfel de mediu nu este absorbit, ci este amplificat, ceea ce deschide posibilitatea de a genera radiații.

Știați, Ce este un experiment de gândire, experiment gedanken?
Aceasta este o practică inexistentă, o experiență de altă lume, o imaginație a ceva care nu există de fapt. Experimentele gândirii sunt ca niște vise trezite. Ei dau naștere monștrilor. Spre deosebire de un experiment fizic, care este un test experimental de ipoteze, un „experiment de gândire” înlocuiește în mod magic testarea experimentală cu concluziile dorite care nu au fost testate în practică, manipulând construcții logice care încalcă de fapt logica însăși prin utilizarea premiselor nedovedite ca fiind dovedite, că este, prin substituire. Astfel, sarcina principală a solicitanților „experimentelor de gândire” este de a înșela ascultătorul sau cititorul prin înlocuirea unui experiment fizic real cu „păpușa” sa - raționament fictiv în eliberare condiționată fără verificarea fizică în sine.
Umplerea fizicii cu „experimente de gândire” imaginare a dus la apariția unei imagini absurde, suprareale și confuze a lumii. Un adevărat cercetător trebuie să distingă astfel de „împachetări de bomboane” de valorile reale.

Relativiștii și pozitiviștii susțin că „experimentele de gândire” sunt un instrument foarte util pentru testarea teoriilor (care apar și în mintea noastră) pentru coerență. În aceasta, ei înșală oamenii, deoarece orice verificare poate fi efectuată doar de o sursă independentă de obiectul verificării. Reclamantul însuși al ipotezei nu poate fi un test al propriei afirmații, întrucât motivul în sine a acestei afirmații este absența contradicțiilor în afirmație vizibilă reclamantului.

Vedem acest lucru în exemplul SRT și GTR, care s-au transformat într-un fel de religie care controlează știința și opinia publică. Nici o cantitate de fapte care le contrazic nu poate depăși formula lui Einstein: „Dacă un fapt nu corespunde teoriei, schimbați faptul” (Într-o altă versiune, „Faptul nu corespunde teoriei? - Cu atât mai rău pentru faptul că ”).

Maximul pe care un „experiment de gândire” îl poate pretinde este doar consistența internă a ipotezei în cadrul propriei logici a solicitantului, adesea deloc adevărată. Acest lucru nu verifică conformitatea cu practica. Verificarea reală poate avea loc doar într-un experiment fizic real.

Un experiment este un experiment pentru că nu este o rafinare a gândirii, ci un test al gândirii. Un gând care este auto-consecvent nu se poate verifica singur. Acest lucru a fost dovedit de Kurt Gödel.