เลเซอร์ฉีดเซมิคอนดักเตอร์ งานหลักสูตรเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ การคำนวณและการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์

เลเซอร์ฉีดเซมิคอนดักเตอร์,เช่นเดียวกับตัวปล่อยโซลิดสเตตอีกประเภทหนึ่ง ไฟ LED,เป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การทำงานของอุปกรณ์ทั้งสองขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ การเรืองแสงด้วยไฟฟ้าเมื่อสัมพันธ์กับตัวปล่อยเซมิคอนดักเตอร์ข้างต้น กลไกการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้ การรวมตัวกันของการแผ่รังสีตัวพาประจุที่ไม่สมดุลถูกฉีดผ่าน ทางแยกพีเอ็น

ไฟ LED ดวงแรกปรากฏขึ้นในช่วงเปลี่ยนทศวรรษที่ 50 และ 60 ของศตวรรษที่ยี่สิบและในปี 1961 เอ็น.จี. บาซอฟ, O.N. Krokhin และ Yu.M. โปปอฟเสนอให้ใช้การฉีดในภาวะเสื่อม ทางแยกพีเอ็น x เพื่อให้ได้เอฟเฟกต์เลเซอร์ ในปี 1962 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน อาร์. ฮอลล์และคณะ เป็นไปได้ที่จะบันทึกเส้นการปล่อยสเปกตรัมของ LED เซมิคอนดักเตอร์ที่แคบลง ซึ่งถูกตีความว่าเป็นการแสดงออกของเอฟเฟกต์เลเซอร์ (“การแผ่รังสียิ่งยวด”) ในปี 1970 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย - จือไอ อัลเฟรอฟและคณะ อันแรกถูกสร้างขึ้น เลเซอร์ที่มีโครงสร้างต่างกันทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับการผลิตแบบอนุกรมจำนวนมากซึ่งมีการระบุไว้ในปี 2543 รางวัลโนเบลในวิชาฟิสิกส์ ปัจจุบัน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สำหรับบันทึกและอ่านข้อมูลจากซีดีคอมพิวเตอร์ เสียงและวิดีโอเป็นหลัก ข้อดีหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือ:

1. ประหยัด,มั่นใจได้ด้วยประสิทธิภาพสูงในการแปลงพลังงานปั๊มเป็นพลังงานรังสีที่สอดคล้องกัน

2. ความเฉื่อยต่ำเนื่องจากเวลาลักษณะสั้นสำหรับการสร้างโหมดการสร้าง (~ 10 -10 วินาที)

3. ความกะทัดรัดเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์เพื่อให้ได้รับแสงมหาศาล

4. อุปกรณ์ง่ายๆแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำเข้ากันได้กับ วงจรรวม(“ไมโครชิป”);

5. โอกาส การปรับความยาวคลื่นที่ราบรื่นอย่างกว้างขวางเนื่องจากการพึ่งพาอาศัยกัน คุณสมบัติทางแสงสารกึ่งตัวนำจากอุณหภูมิ ความดัน ฯลฯ

คุณสมบัติหลักมีการใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การเปลี่ยนผ่านแสงเกี่ยวข้องกับระดับพลังงาน (สถานะพลังงาน) โซนพลังงานอิเล็กทรอนิกส์หลักคริสตัล นี่คือความแตกต่างระหว่างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และตัวอย่างเช่นเลเซอร์ทับทิมซึ่งใช้การเปลี่ยนผ่านแสงระหว่างระดับสิ่งเจือปนของโครเมียมไอออน Cr 3+ ใน Al 2 O 3 . สำหรับการใช้งานในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ A III B V มีความเหมาะสมที่สุด (ดูบทนำ) มันอยู่บนพื้นฐานของสารประกอบเหล่านี้และพวกมัน โซลูชั่นที่มั่นคงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ผลิตโดยอุตสาหกรรม ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายประเภทในประเภทนี้ การรวมตัวกันใหม่ของตัวพากระแสไฟฟ้าส่วนเกินจะดำเนินการโดย โดยตรงการเปลี่ยนทางแสงระหว่างสถานะที่เติมไว้ใกล้กับด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าและสถานะอิสระใกล้กับด้านบนของแถบวาเลนซ์ (รูปที่ 1) ความน่าจะเป็นสูงของการเปลี่ยนผ่านแสง ช่องว่างโดยตรงเซมิคอนดักเตอร์และสถานะที่มีความหนาแน่นสูงในแถบทำให้สามารถรับได้ อัตราขยายทางแสงสูงในเซมิคอนดักเตอร์

รูปที่ 1. การปล่อยโฟตอนระหว่างการรวมตัวกันของการแผ่รังสีในเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างตรงที่มีประชากรกลับหัว

พิจารณาหลักการพื้นฐานของการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ หากคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์อยู่ในสถานะ สมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับสิ่งแวดล้อมแล้วเขาก็สามารถทำได้เท่านั้น ดูดซับรังสีที่เกิดขึ้นกับมัน ความเข้มของแสงที่เดินทางไกลในคริสตัล เอ็กซ์ได้รับจากความสัมพันธ์ที่ทราบ บูเกอร์-แลมเบิร์ต

ที่นี่ ร- ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแสง

α - ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง

เพื่อให้มีแสงสว่าง ทวีความรุนแรงมากขึ้นผ่านคริสตัลแทนที่จะอ่อนตัวลงจำเป็นต้องมีค่าสัมประสิทธิ์ α มีค่าน้อยกว่าศูนย์ ซึ่งก็คือ สภาพแวดล้อมสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เป็นไปไม่ได้เพื่อให้เลเซอร์ (แก๊ส ของเหลว โซลิดสเตต) ทำงานได้ สภาพแวดล้อมการทำงานของเลเซอร์จะต้องอยู่ในสถานะ ประชากรผกผัน –สถานะที่จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงจะมากกว่าระดับพลังงานต่ำ (สถานะนี้เรียกอีกอย่างว่า "สถานะอุณหภูมิลบ") ขอให้เราได้รับความสัมพันธ์ที่อธิบายสถานะกับประชากรกลับหัวในเซมิคอนดักเตอร์

อนุญาต ε 1และ ε 2 – ควบคู่กันทางแสงระดับพลังงานระหว่างกัน ระดับพลังงานแรกอยู่ในแถบเวเลนซ์ และระดับที่สองอยู่ในแถบการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ (รูปที่ 2) คำว่า "การควบคู่ด้วยแสง" หมายความว่าการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนระหว่างสิ่งเหล่านั้นได้รับอนุญาตตามกฎการเลือก ดูดซับควอนตัมแสงด้วยพลังงาน hν 12อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ออกจากระดับ ε 1ต่อระดับ ε 2. ความเร็วของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะแปรผันตามความน่าจะเป็นของการเติมข้อมูลในระดับแรก ฉ 1 ความน่าจะเป็นที่ระดับที่สองว่างเปล่า: (1- ฉ 2) และความหนาแน่นของโฟตอนฟลักซ์ ป(hν 12)

การเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับ - จากระดับบนไประดับล่างสามารถเกิดขึ้นได้สองวิธี - เนื่องจาก โดยธรรมชาติและ ถูกบังคับการรวมตัวกันอีกครั้ง ในกรณีที่สอง ปฏิสัมพันธ์ของควอนตัมแสงกับอิเล็กตรอนซึ่งอยู่ที่ระดับ ε 2 “บังคับ” อิเล็กตรอนให้รวมตัวกันอีกครั้งด้วย การปล่อยมลพิษควอนตัมของแสง เหมือนกันอันที่ทำให้เกิดกระบวนการบังคับให้รวมตัวกันอีกครั้ง ที่. การขยายแสงเกิดขึ้นในระบบ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการทำงานของเลเซอร์ อัตราการรวมตัวกันใหม่ที่เกิดขึ้นเองและบังคับจะถูกเขียนเป็น:

(3)

ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์

. (5)

โดยใช้เงื่อนไขที่ 5 แสดงว่าค่าสัมประสิทธิ์ เวลา 12.00 น, วันที่ 21และ เอ 21(“สัมประสิทธิ์ไอน์สไตน์”) มีความสัมพันธ์กัน กล่าวคือ:

, (6)

ที่ไหน ไม่มี –ดัชนีการหักเหของสารกึ่งตัวนำ กับ- ความเร็วของแสง.

อย่างไรก็ตาม ต่อไปนี้ เราจะไม่คำนึงถึงการรวมตัวกันใหม่ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เนื่องจาก อัตราการรวมตัวกันใหม่ที่เกิดขึ้นเองไม่ได้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของโฟตอนฟลักซ์ในตัวกลางการทำงานของเลเซอร์ และอัตราการรวมตัวกันใหม่แบบบังคับจะอยู่ที่ ค่าขนาดใหญ่ Р(ฮν 12) เกินอัตราการรวมตัวกันอีกครั้งอย่างมีนัยสำคัญ เพื่อให้เกิดการขยายแสง ความเร็วของการเปลี่ยนจากบนลงล่างแบบบังคับจะต้องเกินความเร็วของการเปลี่ยนจากล่างขึ้นบน:

ต้องเขียนความน่าจะเป็นของอิเล็กตรอนที่ครอบครองระดับพลังงาน ε 1และ ε 2เช่น

, (8)

เราได้รับเงื่อนไขสำหรับประชากรผกผันในเซมิคอนดักเตอร์

เพราะ ระยะห่างขั้นต่ำระหว่างระดับ ε 1และ ε 2เท่ากับช่องว่างแถบของเซมิคอนดักเตอร์ εg.ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า ความสัมพันธ์เบอร์นาร์ด-ดูราโฟร์

สูตร 9 รวมค่าของสิ่งที่เรียกว่า ระดับกึ่งเฟอร์มี- ระดับ Fermi แยกกันสำหรับวงดนตรีการนำ เอฟ ซีและวงวาเลนซ์ เอฟ วี. สถานการณ์นี้เป็นไปได้เฉพาะสำหรับสถานการณ์ที่ไม่สมดุลหรือแม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับ กึ่งสมดุลระบบ ในการสร้างระดับเฟอร์มีในแถบที่อนุญาตทั้งสองแถบ (ระดับที่แยกสถานะที่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนและสถานะว่าง (ดูบทนำ)) จำเป็นต้องมี เวลาผ่อนคลายชีพจรมีขนาดอิเล็กตรอนและรูหลายเท่า อายุการใช้งานน้อยลงผู้ให้บริการเรียกเก็บเงินส่วนเกิน:

ผลที่ตามมา ไม่มีความสมดุลโดยทั่วไปแล้ว ก๊าซหลุมอิเล็กตรอนถือได้ว่าเป็นส่วนผสม สมดุลทางอิเล็กทรอนิกส์ก๊าซในเขตการนำไฟฟ้าและ หลุมสมดุลก๊าซในแถบเวเลนซ์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2. แผนภาพพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประชากรระดับกลับหัว สถานะที่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนจะถูกแรเงา

ขั้นตอนการสร้างประชากรผกผันในสภาพแวดล้อมการทำงานของเลเซอร์ (ในกรณีของเราในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์) เรียกว่า สูบน้ำเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สามารถถูกปั๊มจากภายนอกด้วยแสง ลำแสงอิเล็กตรอนเร็ว สนามความถี่วิทยุแรง หรือการกระแทกไอออไนซ์ในเซมิคอนดักเตอร์เอง แต่วิธีที่ง่ายที่สุดประหยัดที่สุดและด้วยเหตุนี้ ที่พบมากที่สุดวิธีการปั๊มเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์คือ การฉีดผู้ให้บริการชาร์จ ในรอยต่อ p-n ที่เสื่อมโทรม(ดูคู่มือระเบียบวิธี “ฟิสิกส์ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์”; อุโมงค์ไดโอด) หลักการของการปั๊มดังกล่าวชัดเจนจากรูปที่ 3 โดยที่ แผนภาพพลังงานการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์และที่ อคติไปข้างหน้าขนาดใหญ่. จะเห็นได้ว่าในภูมิภาค d ซึ่งอยู่ติดกับทางแยก p-n โดยตรง จะมีการรับรู้จำนวนประชากรผกผัน - ระยะห่างพลังงานระหว่างระดับกึ่งเฟอร์มีมากกว่าช่องว่างของแถบความถี่

รูปที่ 3 เสื่อมถอย การเปลี่ยนแปลง rnในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (ซ้าย) และการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าขนาดใหญ่ (ขวา)

อย่างไรก็ตามการสร้างประชากรผกผันในสภาพแวดล้อมการทำงานคือ จำเป็น,แต่ยัง สภาพไม่เพียงพอเพื่อสร้างรังสีเลเซอร์ ในเลเซอร์ใดๆ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ส่วนหนึ่งของกำลังของปั๊มที่จ่ายให้กับอุปกรณ์จะสูญเสียไปอย่างไร้ประโยชน์ และเมื่อกำลังสูบเกินค่าที่กำหนดเท่านั้น - เกณฑ์การสร้างเลเซอร์เริ่มทำงานเป็นเครื่องขยายแสงควอนตัม เมื่อเกินเกณฑ์การสร้าง:

· ก) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วความเข้มของรังสีที่ปล่อยออกมาจากอุปกรณ์ (รูปที่ 4a)

ข) เรียวสเปกตรัม เส้นการแผ่รังสี (รูปที่ 4b);

· c) รังสีกลายเป็น สอดคล้องกันและมุ่งเน้นอย่างแคบ

รูปที่ 4. การเพิ่มความเข้ม (ซ้าย) และการลดลงของเส้นสเปกตรัมของการปล่อย (ขวา) ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เมื่อกระแสเกินค่าเกณฑ์

เพื่อให้บรรลุเงื่อนไขการเลเซอร์ตามเกณฑ์ โดยปกติแล้วจะวางสื่อการทำงานของเลเซอร์ไว้ ตัวสะท้อนแสงนี้ เพิ่มความยาวเส้นทางแสงของลำแสงในสภาพแวดล้อมการทำงาน ทำให้ง่ายต่อการบรรลุเกณฑ์การเลเซอร์ ส่งเสริมการโฟกัสที่ดีขึ้นของลำแสง ฯลฯ ในบรรดาตัวสะท้อนแสงประเภทต่างๆ ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ชนิดที่พบมากที่สุดคือชนิดที่ง่ายที่สุด เครื่องสะท้อนเสียง Fabry-Perot– กระจกเงาระนาบขนาน 2 บาน ตั้งฉาก p-nการเปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ ขอบขัดเงาของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ยังถูกใช้เป็นกระจกอีกด้วย

ให้เราพิจารณาการผ่านของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านตัวสะท้อนดังกล่าว ให้เราหาค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านและการสะท้อนของกระจกด้านซ้ายของเครื่องสะท้อนกลับเป็น เสื้อ 1และ ร 1, ขวา (ซึ่งรังสีออกไป) - ด้านหลัง เสื้อ 2และ ร 2; ความยาวตัวสะท้อน – ล. ปล่อยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกจากด้านนอกทางด้านซ้ายของคริสตัล สมการที่จะเขียนอยู่ในรูปแบบ:

. (11)

เมื่อผ่านกระจกด้านซ้าย คริสตัล และกระจกด้านขวา รังสีบางส่วนจะออกมาทางด้านขวาของคริสตัล และส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับไปทางด้านซ้ายอีกครั้ง (รูปที่ 5)

รูปที่ 5 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวสะท้อน Fabry-Perot

เส้นทางต่อไปของลำแสงในตัวสะท้อน แอมพลิจูดของลำแสงที่โผล่ออกมาและลำแสงสะท้อนนั้นชัดเจนจากรูป ให้เราสรุปแอมพลิจูดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ปล่อยออกมา ผ่านทางด้านขวาของคริสตัล:

= (12).

เราจะกำหนดให้ผลรวมของแอมพลิจูดของคลื่นทั้งหมดที่โผล่ออกมาทางด้านขวาไม่เท่ากับศูนย์ แม้ว่าแอมพลิจูดของคลื่นทางด้านซ้ายของคริสตัลจะมีเพียงเล็กน้อยก็ตาม แน่นอนว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อตัวส่วนของเศษส่วนใน (12) มีแนวโน้มเป็นศูนย์เท่านั้น จากที่นี่เราได้รับ:

, (13)

และคำนึงถึงความเข้มของแสงด้วย เช่น , ที่ไหน ร 1 , ร 2 - ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของกระจก - ใบหน้าคริสตัล "ตามความเข้ม" และในที่สุดเราจะเขียนอัตราส่วนสำหรับเกณฑ์การแยกเป็น:

. (14)

จาก (11) เป็นไปตามว่าปัจจัย 2G ที่รวมอยู่ในเลขชี้กำลังเกี่ยวข้องกับดัชนีการหักเหของแสงเชิงซ้อนของคริสตัล:

ทางด้านขวาของ (15) เทอมแรกกำหนดเฟสของคลื่นแสง และเทอมที่สองคือแอมพลิจูด ในสื่อสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ธรรมดา การลดทอน (การดูดซับ) ของแสงเกิดขึ้น ในสื่อการทำงานที่ใช้งานของเลเซอร์ ควรเขียนความสัมพันธ์เดียวกันในรูปแบบ , ที่ไหน ก - การรับแสงและสัญลักษณ์ อ้ายกำหนด การสูญเสียทั้งหมดพลังงานของปั๊ม ไม่จำเป็นต้องมีลักษณะทางแสงเท่านั้น แล้ว เงื่อนไขเกณฑ์แอมพลิจูดจะถูกเขียนใหม่เป็น:

หรือ . (16)

ดังนั้นเราจึงได้กำหนดไว้ จำเป็น(9) และ เพียงพอ(16) เงื่อนไขในการสร้างเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ทันทีที่ทรงคุณค่า ได้รับจะเกิน การสูญเสียด้วยจำนวนที่กำหนดโดยเทอมแรก (16) ในสภาพแวดล้อมการทำงานที่มีจำนวนประชากรผกผัน แสงจะเริ่มเข้มข้นขึ้น อัตราขยายจะขึ้นอยู่กับกำลังของปั๊มหรือตามขนาดซึ่งเท่ากันกับเลเซอร์ฉีด การดำเนินงานปัจจุบันในพื้นที่ทำงานทั่วไปของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ และเชิงเส้นตรงขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ใช้งาน

. (17)

จาก (16) และ (17) สำหรับ เกณฑ์ปัจจุบันเราได้รับ:

, (18)

ผ่านที่ไหน ฉัน 0 ถูกกำหนดให้เรียกว่า “เกณฑ์การผกผัน” คือค่ากระแสการทำงานที่บรรลุจำนวนประชากรผกผันในเซมิคอนดักเตอร์ เพราะ โดยปกติแล้ว เทอมแรกใน (18) สามารถละเลยได้

ปัจจัยสัดส่วน β สำหรับการใช้เลเซอร์ หน้าปกติการเปลี่ยนแปลงและการสร้างจาก GaAs สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร

, (19)

ที่ไหน อีและ ∆ อี –ตำแหน่งและความกว้างครึ่งหนึ่งของเส้นสเปกตรัมของการแผ่รังสีเลเซอร์

การคำนวณโดยใช้สูตร 18 ให้ที่อุณหภูมิห้อง T = 300 K สำหรับเลเซอร์ที่มีค่าสูงมากของความหนาแน่นกระแสเกณฑ์ 5 . 10 4 A/cm 2 เช่น เลเซอร์ดังกล่าวสามารถทำงานได้ทั้งด้วยการระบายความร้อนที่ดีหรือในโหมดพัลส์สั้น ดังนั้นตามที่ระบุไว้ข้างต้นมีเพียงการสร้างในปี 1970 โดยกลุ่ม Zh.I. Alferov เลเซอร์เฮเทอโรจังก์ชั่นอนุญาต ลดขนาดลง 2 เท่ากระแสเกณฑ์ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งท้ายที่สุดก็นำไปสู่การใช้อุปกรณ์เหล่านี้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำเร็จนี้ เรามาดูรายละเอียดกันดีกว่า โครงสร้างการสูญเสียในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ถึงไม่เฉพาะเจาะจง เป็นเรื่องธรรมดาสำหรับเลเซอร์ทุกชนิดและโดยหลักการแล้ว การสูญเสียที่ไม่อาจซ่อมแซมได้ควรนำมาประกอบกับการสูญเสีย การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองและขาดทุนต่อไป การทำให้ร้อน

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองจากระดับบนลงล่างจะปรากฏอยู่เสมอ และเนื่องจากควอนตัมแสงที่ปล่อยออกมาในกรณีนี้จะมีการกระจายแบบสุ่มในเฟสและทิศทางของการแพร่กระจาย (จะไม่ สอดคล้องกัน) ดังนั้นค่าใช้จ่ายของพลังงานปั๊มในการสร้างคู่อิเล็กตรอนหลุมที่รวมตัวกันใหม่ตามธรรมชาติควรจัดประเภทเป็นการสูญเสีย

ด้วยวิธีการปั๊มใดๆ ก็ตาม อิเล็กตรอนที่มีพลังงานมากกว่าพลังงานของระดับเสมือนเฟอร์มีจะถูกโยนเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ เอฟ ซี. อิเล็กตรอนเหล่านี้จะสูญเสียพลังงานเมื่อชนกับข้อบกพร่องของโครงตาข่าย และจะตกลงไปที่ระดับกึ่งเฟอร์มีอย่างรวดเร็ว - กระบวนการที่เรียกว่า การทำให้ร้อนพลังงานที่สูญเสียไปโดยอิเล็กตรอนเมื่อพวกมันกระจัดกระจายบนข้อบกพร่องของโครงตาข่ายคือการสูญเสียความร้อน

ถึง ถอดออกได้บางส่วนการสูญเสียอาจรวมถึงการสูญเสียด้วย การรวมตัวกันอีกครั้งโดยไม่ใช้รังสี. ในเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างโดยตรง ระดับสิ่งเจือปนในระดับลึกมักจะรับผิดชอบต่อการรวมตัวกันอีกครั้งแบบไม่ใช้รังสี (ดู "ผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริกในเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน") การทำความสะอาดคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์อย่างระมัดระวังจากสิ่งเจือปนที่ก่อตัวเป็นระดับดังกล่าวจะช่วยลดโอกาสที่จะเกิดการรวมตัวกันอีกครั้งโดยไม่ใช้รังสี

และในที่สุดก็ขาดทุนต่อไป การดูดซับแบบไม่สะท้อนและต่อไป กระแสรั่วไหลสามารถลดลงได้อย่างมากโดยใช้เลเซอร์ในการผลิต โครงสร้างที่แตกต่าง

ต่างจากทางแยก p-n ทั่วไปซึ่งมีเซมิคอนดักเตอร์ที่เหมือนกันตั้งอยู่ทางด้านขวาและซ้ายของจุดสัมผัส แตกต่างกันเฉพาะในองค์ประกอบของสิ่งเจือปนและประเภทของการนำไฟฟ้า ในโครงสร้างเฮเทอโร เซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันจะอยู่ที่ทั้งสองด้านของหน้าสัมผัส องค์ประกอบทางเคมีเซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้มีช่องว่างแถบความถี่ที่แตกต่างกัน ดังนั้น ณ จุดที่สัมผัสกันจะมีการ "กระโดด" ในพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอน (ประเภท "ตะขอ" หรือประเภท "ผนัง" (รูปที่ 6))

รูปที่ 6. เลเซอร์ฉีดที่ใช้โครงสร้างเฮเทอโรไดนามิกสองด้านในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (ซ้าย) และในโหมดการทำงาน (ขวา)

ขึ้นอยู่กับประเภทการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ โครงสร้างเฮเทอโรสามารถเป็นได้ ไอโซไทป์(p-P; n-N โครงสร้างเฮเทอโร) และ แอนไอโซไทป์(p-N; n-P โครงสร้างเฮเทอโร) ในโครงสร้างแบบเฮเทอโร อักษรตัวใหญ่มักจะหมายถึงเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบขนาดใหญ่กว่า เซมิคอนดักเตอร์บางชนิดไม่สามารถสร้างโครงสร้างเฮเทอโรคุณภาพสูงซึ่งเหมาะสำหรับการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตามพวกมัน เพื่อให้อินเทอร์เฟซมีข้อบกพร่องน้อยที่สุด ส่วนประกอบของโครงสร้างเฮเทอโรต้องมี โครงสร้างคริสตัลเดียวกันและมาก ปิดค่าค่าคงที่ขัดแตะ ในบรรดาเซมิคอนดักเตอร์ของกลุ่ม A III B V มีเพียงสองคู่ของสารประกอบเท่านั้นที่ตรงตามข้อกำหนดนี้: GaAs-AlAs และ GaSb-AlSb และของพวกเขา โซลูชั่นที่มั่นคง(ดูบทนำ) เช่น GaAs-Ga x อัล 1- x As; GaSb-Ga x อัล 1- x Sb ด้วยการทำให้องค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ซับซ้อนขึ้น จึงเป็นไปได้ที่จะเลือกคู่อื่นที่เหมาะสมสำหรับการสร้างโครงสร้างเฮเทอโร เช่น InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- อัล x Ga 1- x As y Sb 1- y เลเซอร์ฉีดยังทำจากโครงสร้างเฮเทอโรที่อิงตามสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ A IV B VI เช่น PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - เลเซอร์เหล่านี้ปล่อยแสงในย่านอินฟราเรดไกลของสเปกตรัม

ขาดทุนอยู่ กระแสรั่วไหลในเฮเทอโรเลเซอร์มีความเป็นไปได้ที่จะกำจัดมันได้เกือบทั้งหมดเนื่องจากความแตกต่างในช่องว่างของแถบเซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างโครงสร้างเฮเทอโร แท้จริงแล้ว (รูปที่ 3) ความกว้างของพื้นที่ d ใกล้กับทางแยก p-n ทั่วไป ซึ่งเป็นไปตามเงื่อนไขของประชากรผกผันนั้นมีค่าเพียง 1 μm ในขณะที่ตัวพาประจุที่ฉีดผ่านทางแยกจะรวมตัวกันใหม่ในพื้นที่ที่ใหญ่กว่ามาก L n + L p มีความกว้าง 10 μm . การรวมตัวกันของพาหะในภูมิภาคนี้ไม่มีส่วนช่วยในการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่สอดคล้องกัน ใน ทวิภาคีโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง NpP (รูปที่ 6) ภูมิภาคที่มีประชากรกลับหัว เกิดขึ้นพร้อมกับความหนาของชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแคบที่ศูนย์กลางของเฮเทอโรเลเซอร์ เกือบทุกอย่างอิเล็กตรอนและรูที่ถูกฉีดเข้าไปในบริเวณนี้จากเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างกว้าง ที่นั่นพวกเขารวมตัวกันอีกครั้งสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างกว้างและช่องว่างแคบจะช่วยป้องกันตัวพาประจุจาก "การแพร่กระจาย" ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้างดังกล่าวได้อย่างมากเมื่อเทียบกับทางแยก p-n ทั่วไป (รูปที่ 3)

ไม่เพียงแต่อิเล็กตรอนและรูที่ไม่มีความสมดุลเท่านั้นที่จะรวมตัวกันอยู่ในชั้นของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแคบ แต่ยังรวมถึง รังสีส่วนใหญ่สาเหตุของปรากฏการณ์นี้คือสารกึ่งตัวนำที่ประกอบเป็นโครงสร้างเฮเทอโรมีความแตกต่างกันในค่าของดัชนีการหักเหของแสง โดยทั่วไปแล้ว ดัชนีการหักเหของแสงจะสูงกว่าสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแคบ ดังนั้นรังสีทั้งหมดจึงมีมุมตกกระทบบนขอบเขตของสารกึ่งตัวนำสองตัว

, (20)

จะได้รับ การสะท้อนภายในทั้งหมดดังนั้นการแผ่รังสีจะถูก "ล็อค" ในชั้นแอคทีฟ (รูปที่ 7) ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียใน การดูดซับแบบไม่สะท้อน(โดยปกติจะเรียกว่า "การดูดซึมโดยผู้ให้บริการฟรี")

รูปที่ 7 ข้อจำกัดทางแสงระหว่างการแพร่กระจายของแสงในโครงสร้างแบบเฮเทอโร ที่มุมตกกระทบมากกว่า θ การสะท้อนภายในทั้งหมดเกิดขึ้นจากส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ที่ประกอบเป็นโครงสร้างเฮเทอโร

จากทั้งหมดที่กล่าวมาทำให้สามารถรับเฮเทอโรเลเซอร์ได้ อัตราขยายทางแสงขนาดยักษ์ด้วยขนาดจุลทรรศน์ของพื้นที่แอคทีฟ: ความหนาของชั้นแอคทีฟ, ความยาวตัวสะท้อน . เฮเทอโรเลเซอร์ทำงานที่อุณหภูมิห้องใน โหมดต่อเนื่องและลักษณะเฉพาะ ความหนาแน่นกระแสการทำงานไม่เกิน 500 A/cm2 สเปกตรัมการปล่อยเลเซอร์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ซึ่งมีสื่อการทำงานอยู่ แกลเลียมอาร์เซไนด์,หมายถึงเส้นแคบที่มีค่าสูงสุดในบริเวณอินฟราเรดใกล้ของสเปกตรัม แม้ว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จะได้รับการพัฒนาให้สร้างรังสีที่มองเห็นได้ และเลเซอร์ที่เปล่งแสงในบริเวณอินฟราเรดไกลด้วย .

ส่งผลงานดีๆ ของคุณในฐานความรู้ได้ง่ายๆ ใช้แบบฟอร์มด้านล่าง

นักศึกษา นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ ที่ใช้ฐานความรู้ในการศึกษาและการทำงาน จะรู้สึกขอบคุณเป็นอย่างยิ่ง

เอกสารที่คล้ายกัน

การแพร่กระจายของพัลส์พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าไปตามเส้นนำแสง การกระจายตัวของอินเตอร์โหมดในไฟเบอร์มัลติโหมด การหาค่าการกระจายตัวภายในโหมด การกระจายตัวของวัสดุและท่อนำคลื่นในตัวนำแสงไฟเบอร์แบบโหมดเดี่ยว ความยาวคลื่นการกระจายเป็นศูนย์

ทดสอบเพิ่มเมื่อ 18/05/2554


กลไกการสูบฉีด ขนาดของแรงดันไบแอส ลักษณะสำคัญของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และกลุ่ม สเปกตรัมการปล่อยแสงทั่วไปของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ค่าของกระแสเกณฑ์ กำลังการแผ่รังสีเลเซอร์ในโหมดพัลซิ่ง

การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 19/02/2014


การคำนวณความยาวของส่วนการฟื้นฟูของระบบไฟเบอร์ออปติก (FOLS) สำหรับการส่งข้อมูลตามพารามิเตอร์ที่กำหนดของศักย์พลังงานของระบบและการกระจายตัวในตัวนำแสงไฟเบอร์ การประเมินความเร็วของสายสื่อสารใยแก้วนำแสง คำจำกัดความของแบนด์วิธ

ทดสอบเพิ่มเมื่อ 29/05/2014


เครื่องขยายสัญญาณแสงเออร์เบียม พารามิเตอร์ของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ กำลังขับสัญญาณและประสิทธิภาพพลังงานของการสูบน้ำ ความกว้างและความสม่ำเสมอของแถบเกน เลเซอร์ปั๊มเซมิคอนดักเตอร์ "LATUS-K" การออกแบบปั๊มเลเซอร์

วิทยานิพนธ์เพิ่มเมื่อ 24/12/2558


ขั้นตอนของการพัฒนาและโอกาสในการดำเนินโครงการเพื่อสร้างเลเซอร์คอมเพล็กซ์ราคาประหยัดโดยใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีไว้สำหรับการประมวลผลวัสดุอินทรีย์ การศึกษาพารามิเตอร์หลักและคุณลักษณะของเครื่องตรวจจับแสง

งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 15/07/2558


การคำนวณโครงสร้างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยพิจารณาจากการเชื่อมต่อของกลุ่มที่สามและห้าสำหรับสายสื่อสารไฟเบอร์ออปติกรุ่นที่สาม การเลือกโครงสร้างคริสตัล การคำนวณพารามิเตอร์ ตัวสะท้อน DFB เอาต์พุตควอนตัมภายใน การจำกัดแสง

งานหลักสูตร เพิ่มเมื่อ 11/05/2015


การวางสายเคเบิลใยแก้วนำแสงโดยใช้อุปกรณ์ SDH synchronous digital hierarchy (SDH) แทนระบบ K-60p แบบบีบอัดบนส่วน Dzhetygara - Komsomolets การคำนวณระดับรังสีสูงสุดที่อนุญาตของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

วิทยานิพนธ์เพิ่มเมื่อ 11/06/2014


อุบัติการณ์ของคลื่นระนาบบนส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางสองตัว อัตราส่วนของอิมพีแดนซ์ของคลื่นและส่วนประกอบของสนาม การแพร่กระจายของคลื่นโพลาไรซ์ในเส้นใยโลหะ การคำนวณความลึกของการเจาะทะลุ การกำหนดสนามไฟฟ้าภายในตัวนำแสงอิเล็กทริก

งานหลักสูตร เพิ่มเมื่อ 06/07/2011

การแนะนำ

หนึ่งในความสำเร็จที่น่าทึ่งที่สุดของฟิสิกส์ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 คือการค้นพบปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างอุปกรณ์ที่น่าทึ่งของเครื่องกำเนิดควอนตัมเชิงแสงหรือเลเซอร์

เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดของแสงเอกรงค์เดียวที่มีลำแสงที่มีทิศทางสูง

เครื่องกำเนิดควอนตัมเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประเภทพิเศษที่รวมความสำเร็จที่ทันสมัยที่สุดในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ

เลเซอร์แก๊สคือเลเซอร์ที่ตัวกลางที่ทำงานอยู่คือแก๊ส ซึ่งเป็นส่วนผสมของก๊าซหลายชนิด หรือส่วนผสมของก๊าซกับไอของโลหะ

เลเซอร์แก๊สเป็นเลเซอร์ชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ในบรรดาเลเซอร์แก๊สประเภทต่างๆ เป็นไปได้ที่จะค้นหาเลเซอร์ที่จะตอบสนองความต้องการเลเซอร์เกือบทุกประเภท ยกเว้นพลังงานที่สูงมากในบริเวณสเปกตรัมที่มองเห็นได้ในโหมดพัลซิ่ง

กำลังไฟฟ้าสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทดลองหลายครั้งเมื่อศึกษาคุณสมบัติทางแสงแบบไม่เชิงเส้นของวัสดุ ปัจจุบันเลเซอร์แก๊สยังไม่ได้รับพลังงานสูงเนื่องจากความหนาแน่นของอะตอมในเลเซอร์ไม่สูงพอ อย่างไรก็ตาม สำหรับวัตถุประสงค์อื่นเกือบทั้งหมด สามารถพบได้ประเภทเฉพาะ เลเซอร์แก๊สซึ่งจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเลเซอร์โซลิดสเตตทั้งสองด้วย การสูบน้ำด้วยแสงและเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์แก๊สกลุ่มใหญ่ประกอบด้วยเลเซอร์ปล่อยก๊าซ ซึ่งสื่อที่ใช้งานอยู่คือก๊าซที่ทำให้บริสุทธิ์ (ความดัน 1–10 มม. ปรอท) และการปั๊มจะดำเนินการโดยการปล่อยไฟฟ้าซึ่งอาจเรืองแสงหรือส่วนโค้งและถูกสร้างขึ้น โดยไฟฟ้ากระแสตรงหรือไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง (10 –50 MHz)

เลเซอร์ปล่อยก๊าซมีหลายประเภท ในเลเซอร์ไอออน การแผ่รังสีเกิดจากการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงานไอออน ตัวอย่างคือเลเซอร์อาร์กอน ซึ่งใช้การปล่อยส่วนโค้ง กระแสตรง.

เลเซอร์ทรานซิชันอะตอมถูกสร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงานอะตอม เลเซอร์เหล่านี้ผลิตรังสีที่มีความยาวคลื่น 0.4–100 μm ตัวอย่างคือเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนที่ทำงานบนส่วนผสมของฮีเลียมและนีออนภายใต้ความดันประมาณ 1 มม. ปรอท ศิลปะ. สำหรับการสูบน้ำจะใช้การปล่อยแสงซึ่งสร้างขึ้นโดยแรงดันไฟฟ้าคงที่ประมาณ 1,000 V

เลเซอร์ปล่อยก๊าซยังรวมถึงเลเซอร์โมเลกุลด้วย ซึ่งการแผ่รังสีเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงานของโมเลกุล เลเซอร์เหล่านี้มีช่วงความถี่กว้างซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.2 ถึง 50 µm

เลเซอร์ระดับโมเลกุลที่พบมากที่สุดคือคาร์บอนไดออกไซด์ (เลเซอร์ CO 2) สามารถผลิตพลังงานได้สูงถึง 10 kW และมีประสิทธิภาพสูงพอสมควรประมาณ 40% สิ่งเจือปนของไนโตรเจน ฮีเลียม และก๊าซอื่นๆ มักจะถูกเติมลงในคาร์บอนไดออกไซด์หลัก สำหรับการสูบน้ำจะใช้การปล่อยแสงกระแสตรงหรือความถี่สูง เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ผลิตรังสีที่มีความยาวคลื่นประมาณ 10 ไมครอน

การออกแบบเครื่องกำเนิดควอนตัมต้องใช้แรงงานมากเนื่องจากมีกระบวนการที่หลากหลายซึ่งกำหนดคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ แต่ถึงอย่างไรก็ตาม เลเซอร์ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ก็ถูกนำมาใช้ในหลายสาขา

จากเลเซอร์ CO 2 ระบบนำทางด้วยเลเซอร์และระบบควบคุมตำแหน่งได้รับการพัฒนาและทำงานได้สำเร็จ สิ่งแวดล้อม(ลิดาร์) การติดตั้งเทคโนโลยีสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ การตัดโลหะและวัสดุอิเล็กทริก การติดตั้งสำหรับเขียนพื้นผิวกระจก การชุบแข็งพื้นผิวของผลิตภัณฑ์เหล็ก เลเซอร์ CO2 ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบการสื่อสารในอวกาศ

วัตถุประสงค์หลักของสาขาวิชา "อุปกรณ์และอุปกรณ์ควอนตัมออปโตอิเล็กทรอนิกส์" คือเพื่อศึกษาพื้นฐานทางกายภาพ การออกแบบ หลักการทำงาน ลักษณะและพารามิเตอร์ของเครื่องมือและอุปกรณ์ที่สำคัญที่สุดที่ใช้ในระบบสื่อสารด้วยแสง ซึ่งรวมถึงเครื่องกำเนิดและเครื่องขยายเสียงควอนตัม ตัวปรับแสง เครื่องตรวจจับแสง องค์ประกอบและอุปกรณ์แสงแบบไม่เชิงเส้น ส่วนประกอบทางแสงแบบโฮโลแกรมและแบบรวม นี่แสดงถึงความเกี่ยวข้องของหัวข้อของโครงการหลักสูตรนี้

วัตถุประสงค์ของโครงงานหลักสูตรนี้คือเพื่ออธิบายเลเซอร์แก๊สและคำนวณเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน

ตามเป้าหมายงานต่อไปนี้จะได้รับการแก้ไข:

ศึกษาหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดควอนตัม

ศึกษาหลักการออกแบบและการทำงานของเลเซอร์ CO 2

ศึกษาเอกสารด้านความปลอดภัยเมื่อทำงานกับเลเซอร์

การคำนวณเลเซอร์ CO 2

1 หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดควอนตัม

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดควอนตัมขึ้นอยู่กับการขยายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ผลของรังสีที่ถูกบังคับ (เหนี่ยวนำ) การขยายสัญญาณเกิดขึ้นเนื่องจากการปลดปล่อยพลังงานภายในระหว่างการเปลี่ยนอะตอม โมเลกุล ไอออนจากพื้นผิวด้านบนที่ถูกกระตุ้นซึ่งถูกกระตุ้นโดยรังสีภายนอก ระดับพลังงานไปที่อันล่าง (อยู่ด้านล่าง) การเปลี่ยนผ่านแบบบังคับเหล่านี้เกิดจากโฟตอน พลังงานโฟตอนสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:

hν = E 2 - E 1,

โดยที่ E2 และ E1 คือพลังงานของระดับบนและล่าง

h = 6.626∙10-34 J∙s – ค่าคงที่ของพลังค์

ν = c/แล - ความถี่การแผ่รังสี, c - ความเร็วแสง, แล - ความยาวคลื่น

การกระตุ้นหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าการปั๊มจะดำเนินการโดยตรงจากแหล่งพลังงานไฟฟ้าหรือเนื่องจากการไหลของรังสีแสง ปฏิกิริยาเคมีและแหล่งพลังงานอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง

ภายใต้สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ การกระจายพลังงานของอนุภาคจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของร่างกายโดยเฉพาะ และอธิบายโดยกฎของโบลต์ซมันน์ ตามที่ระดับพลังงานสูงขึ้น ความเข้มข้นของอนุภาคในสถานะที่กำหนดก็จะยิ่งลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ยิ่งจำนวนประชากรลดลง

ภายใต้อิทธิพลของการสูบน้ำซึ่งรบกวนสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ สถานการณ์ตรงกันข้ามอาจเกิดขึ้นเมื่อประชากรในระดับบนเกินจำนวนประชากรในระดับล่าง ภาวะหนึ่งเกิดขึ้นเรียกว่าการผกผันของประชากร ในกรณีนี้ จำนวนการเปลี่ยนผ่านแบบบังคับจากระดับพลังงานบนไปเป็นค่าล่างซึ่งในระหว่างที่เกิดรังสีกระตุ้น จะเกินจำนวนการเปลี่ยนผ่านแบบย้อนกลับพร้อมกับการดูดกลืนรังสีดั้งเดิม เนื่องจากทิศทางของการแพร่กระจาย เฟส และโพลาไรเซชันของรังสีเหนี่ยวนำเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทาง เฟส และโพลาไรซ์ของรังสีที่ได้รับผลกระทบ ผลของการขยายจึงเกิดขึ้น

ตัวกลางที่สามารถขยายการแผ่รังสีได้เนื่องจากการเปลี่ยนผ่านเหนี่ยวนำเรียกว่าตัวกลางแอคทีฟ พารามิเตอร์หลักที่แสดงคุณสมบัติการขยายคือค่าสัมประสิทธิ์หรือดัชนีการขยาย kν - พารามิเตอร์ที่กำหนดการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์การแผ่รังสีที่ความถี่ ν ต่อความยาวหน่วยของพื้นที่โต้ตอบ

คุณสมบัติการขยายของตัวกลางแอคทีฟสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากโดยการใช้หลักการป้อนกลับเชิงบวก ซึ่งเป็นที่รู้จักในฟิสิกส์รังสี เมื่อส่วนหนึ่งของสัญญาณที่ถูกขยายกลับคืนสู่ตัวกลางแอคทีฟและถูกขยายอีกครั้ง หากในกรณีนี้ อัตราขยายเกินกว่าการสูญเสียทั้งหมด รวมถึงที่ใช้เป็นสัญญาณที่มีประโยชน์ (การสูญเสียที่เป็นประโยชน์) โหมดการสร้างตัวเองจะเกิดขึ้น

การสร้างตนเองเริ่มต้นด้วยการปรากฏตัวของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองและพัฒนาไปสู่ระดับคงที่ซึ่งกำหนดโดยความสมดุลระหว่างกำไรและขาดทุน

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม เพื่อสร้างการตอบรับเชิงบวกที่ความยาวคลื่นที่กำหนด มีการใช้ตัวสะท้อนเสียงแบบเปิดเป็นส่วนใหญ่ - ระบบที่มีกระจกสองตัว โดยกระจกหนึ่งบาน (คนหูหนวก) สามารถทึบแสงได้อย่างสมบูรณ์ ส่วนกระจกที่สอง (เอาต์พุต) จะทำให้โปร่งแสง

บริเวณการสร้างเลเซอร์สอดคล้องกับช่วงแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมตัวสะท้อนเสียงแบบเลเซอร์จึงถูกเรียกว่าตัวสะท้อนเสียงแบบแสง

แผนภาพการทำงานทั่วไปของเลเซอร์ที่มีองค์ประกอบด้านบนแสดงไว้ในรูปที่ 1

องค์ประกอบบังคับในการออกแบบเลเซอร์แก๊สจะต้องเป็นเปลือก (ท่อระบายก๊าซ) ในปริมาตรซึ่งมีก๊าซที่มีองค์ประกอบบางอย่างที่ความดันที่กำหนด ด้านท้ายของเปลือกหุ้มด้วยหน้าต่างที่ทำจากวัสดุโปร่งใสต่อการแผ่รังสีเลเซอร์ ส่วนการทำงานของอุปกรณ์นี้เรียกว่าองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ เพื่อลดการสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนจากพื้นผิว หน้าต่างจึงถูกติดตั้งในมุมบรูว์สเตอร์ การแผ่รังสีเลเซอร์ในอุปกรณ์ดังกล่าวจะมีโพลาไรซ์อยู่เสมอ

องค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ พร้อมด้วยกระจกสะท้อนเสียงที่ติดตั้งอยู่ภายนอกองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ เรียกว่าตัวปล่อย ตัวเลือกหนึ่งเป็นไปได้เมื่อกระจกสะท้อนกลับถูกยึดเข้ากับปลายเปลือกขององค์ประกอบที่ทำงานอยู่โดยตรง โดยทำหน้าที่ของหน้าต่างเพื่อปิดผนึกปริมาตรก๊าซไปพร้อมๆ กัน (เลเซอร์ที่มีกระจกภายใน)

การพึ่งพาของอัตราขยายของสื่อแอคทีฟบนความถี่ (วงจรเกน) จะถูกกำหนดโดยรูปร่างของเส้นสเปกตรัมของการเปลี่ยนแปลงควอนตัมที่ทำงาน การสร้างเลเซอร์เกิดขึ้นเฉพาะที่ความถี่ดังกล่าวภายในวงจรนี้ซึ่งมีจำนวนเต็มของคลื่นครึ่งคลื่นพอดีในช่องว่างระหว่างกระจก ในกรณีนี้อันเป็นผลมาจากการรบกวนของคลื่นไปข้างหน้าและข้างหลังในตัวสะท้อนคลื่นที่เรียกว่าคลื่นนิ่งที่มีโหนดพลังงานบนกระจกจึงเกิดขึ้น

โครงสร้างของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นนิ่งในเครื่องสะท้อนกลับนั้นมีความหลากหลายมาก การกำหนดค่าเฉพาะของมันมักจะเรียกว่าโหมด การสั่นที่มีความถี่ต่างกันแต่การกระจายสนามเท่ากันในทิศทางตามขวางเรียกว่าโหมดตามยาว (หรือตามแนวแกน) พวกมันสัมพันธ์กับคลื่นที่แพร่กระจายไปตามแกนของเครื่องสะท้อนอย่างเคร่งครัด การแกว่งที่แตกต่างกันในการกระจายสนามในทิศทางตามขวาง ตามลำดับ ในโหมดตามขวาง (หรือไม่มีแกน) พวกมันสัมพันธ์กับคลื่นที่แพร่กระจายในมุมเล็กๆ ต่างๆ ไปยังแกน และมีองค์ประกอบตามขวางของเวกเตอร์คลื่นตามลำดับ ตัวย่อต่อไปนี้ใช้เพื่อแสดงถึงโหมดต่างๆ: TEMmn ในสัญลักษณ์นี้ m และ n เป็นดัชนีที่แสดงคาบของสนามที่เปลี่ยนแปลงบนกระจกตามพิกัดที่แตกต่างกันในทิศทางตามขวาง หากมีการสร้างเฉพาะโหมดพื้นฐาน (ต่ำสุด) ในระหว่างการทำงานของเลเซอร์ เราจะพูดถึงโหมดการทำงานแบบโหมดเดียว เมื่อมีโหมดตามขวางหลายโหมด โหมดนี้เรียกว่ามัลติโหมด เมื่อทำงานในโหมดโหมดเดียว การสร้างสามารถทำได้ที่หลายความถี่โดยมีจำนวนโหมดตามยาวต่างกัน หากการปล่อยเกิดขึ้นในโหมดตามยาวเพียงโหมดเดียว เราจะพูดถึงโหมดความถี่เดียว

รูปที่ 1 - แผนภาพเลเซอร์แก๊ส

มีการใช้การกำหนดต่อไปนี้ในรูป:

1. กระจกสะท้อนแสง
2. หน้าต่างตัวสะท้อนแสง
3. ขั้วไฟฟ้า;
4. ท่อระบายแก๊ส.

2 การออกแบบและหลักการทำงานของเลเซอร์ CO 2

อุปกรณ์เลเซอร์ CO 2 จะแสดงแผนผังในรูปที่ 2

รูปที่ 2 – หลักการของเลเซอร์ CO2

เลเซอร์ CO 2 ประเภทหนึ่งที่พบบ่อยที่สุดคือเลเซอร์ไดนามิกของแก๊ส ในนั้นประชากรผกผันที่จำเป็นสำหรับการแผ่รังสีเลเซอร์นั้นเกิดขึ้นได้เนื่องจากการอุ่นก๊าซไว้ที่ 1,500 K ที่ความดัน 20–30 atm เข้าสู่ห้องทำงานซึ่งจะขยายตัว อุณหภูมิและความดันลดลงอย่างรวดเร็ว เลเซอร์ดังกล่าวสามารถผลิตรังสีต่อเนื่องด้วยกำลังสูงถึง 100 กิโลวัตต์

ในการสร้างสื่อที่ใช้งาน (ตามที่พวกเขากล่าวว่า "การปั๊ม") ของเลเซอร์ CO 2 มักใช้การปล่อยแสงกระแสตรง ใน เมื่อเร็วๆ นี้มีการใช้การปล่อยความถี่สูงมากขึ้น แต่นี่เป็นหัวข้อแยกต่างหาก การปล่อยความถี่สูงและการใช้งานที่สำคัญที่สุดที่พบในยุคของเรา (ไม่เพียง แต่ในเทคโนโลยีเลเซอร์) เป็นหัวข้อของบทความแยกต่างหาก เกี่ยวกับ หลักการทั่วไปการทำงานของเลเซอร์ CO 2 คายประจุไฟฟ้า ปัญหาที่เกิดขึ้นในกรณีนี้ และการออกแบบบางอย่างขึ้นอยู่กับการใช้คายประจุไฟฟ้ากระแสตรง

ในช่วงต้นทศวรรษที่ 70 ในระหว่างการพัฒนาเลเซอร์ CO 2 กำลังสูง เป็นที่ชัดเจนว่าการปล่อยประจุนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติที่ไม่รู้จักมาจนบัดนี้และความไม่เสถียรซึ่งเป็นอันตรายต่อเลเซอร์ พวกมันก่อให้เกิดอุปสรรคที่เกือบจะผ่านไม่ได้ในการพยายามเติมพลาสมาในปริมาณมากที่ความดันสูง ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อให้ได้พลังงานเลเซอร์สูง บางทีอาจไม่มีปัญหาใดในลักษณะที่ประยุกต์ใช้ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาต่อความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์การปล่อยกระแสไฟฟ้าในก๊าซมากเท่ากับปัญหาในการสร้างเลเซอร์ CO 2 คลื่นต่อเนื่องกำลังสูง

ลองพิจารณาหลักการทำงานของเลเซอร์ CO 2 กัน

ตัวกลางแอคทีฟของเลเซอร์เกือบทุกชนิดคือสารที่สามารถสร้างประชากรกลับด้านได้ในโมเลกุลหรืออะตอมบางตัวในระดับคู่ที่แน่นอน ซึ่งหมายความว่าจำนวนโมเลกุลในสถานะควอนตัมตอนบนซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านของรังสีเลเซอร์ เกินกว่าจำนวนโมเลกุลในสถานะควอนตัมตอนล่าง แตกต่างจากสถานการณ์ปกติ ลำแสงที่ผ่านตัวกลางดังกล่าวจะไม่ถูกดูดซับ แต่ถูกขยาย ซึ่งเปิดโอกาสให้สร้างรังสีได้

เธอรู้รึเปล่า, การทดลองทางความคิด การทดลองเกดังเกน คืออะไร?
นี่คือการปฏิบัติที่ไม่มีอยู่จริง ประสบการณ์นอกโลก จินตนาการถึงสิ่งที่ไม่มีอยู่จริง การทดลองทางความคิดก็เหมือนกับความฝันที่ตื่นขึ้น พวกมันให้กำเนิดสัตว์ประหลาด ต่างจากการทดลองทางกายภาพซึ่งเป็นการทดสอบสมมุติฐาน “การทดลองทางความคิด” เข้ามาแทนที่การทดสอบเชิงทดลองด้วยข้อสรุปที่ต้องการซึ่งไม่ได้รับการทดสอบในทางปฏิบัติอย่างน่าอัศจรรย์ โดยใช้โครงสร้างเชิงตรรกะที่ละเมิดตรรกะจริง ๆ โดยใช้สถานที่ที่ไม่ได้รับการพิสูจน์เป็นหลักฐานที่พิสูจน์แล้ว คือโดยการทดแทน ดังนั้นภารกิจหลักของผู้สมัคร "การทดลองทางความคิด" คือการหลอกลวงผู้ฟังหรือผู้อ่านโดยแทนที่การทดลองทางกายภาพจริงด้วย "ตุ๊กตา" ซึ่งเป็นการให้เหตุผลสมมติในการทัณฑ์บนโดยไม่ต้องมีการตรวจสอบทางกายภาพ
การเติมเต็มฟิสิกส์ด้วย "การทดลองทางความคิด" ในจินตนาการได้นำไปสู่การเกิดขึ้นของภาพโลกที่สับสน ไร้สาระ เหนือจริง และสับสน นักวิจัยตัวจริงจะต้องแยกแยะ “กระดาษห่อขนม” ดังกล่าวออกจากคุณค่าที่แท้จริง

นักสัมพัทธภาพและนักคิดบวกโต้แย้งว่า "การทดลองทางความคิด" เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์มากในการทดสอบทฤษฎี (ซึ่งเกิดขึ้นในจิตใจของเราด้วย) เพื่อความสม่ำเสมอ ในสิ่งนี้พวกเขาหลอกลวงผู้คน เนื่องจากการตรวจสอบใด ๆ สามารถดำเนินการโดยแหล่งที่มาที่ไม่ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการตรวจสอบเท่านั้น ผู้สมัครสมมติฐานเองไม่สามารถทดสอบข้อความของตนเองได้ เนื่องจากเหตุผลของข้อความนี้เองก็คือไม่มีความขัดแย้งในข้อความที่ผู้สมัครมองเห็นได้

เราเห็นสิ่งนี้ในตัวอย่างของ SRT และ GTR ซึ่งกลายเป็นศาสนาประเภทหนึ่งที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งควบคุมวิทยาศาสตร์และ ความคิดเห็นของประชาชน. ไม่มีข้อเท็จจริงจำนวนเท่าใดที่ขัดแย้งกับสูตรของไอน์สไตน์ได้: “หากข้อเท็จจริงไม่สอดคล้องกับทฤษฎี ให้เปลี่ยนข้อเท็จจริง” (ในอีกฉบับหนึ่ง “ข้อเท็จจริงไม่สอดคล้องกับทฤษฎีหรือไม่ - ยิ่งแย่ไปกว่านั้นอีกมากสำหรับข้อเท็จจริง” ").

ค่าสูงสุดที่ "การทดลองทางความคิด" สามารถอ้างได้คือเพียงความสอดคล้องภายในของสมมติฐานภายในกรอบการทำงานของผู้สมัครเอง ซึ่งมักจะไม่เป็นความจริงเลย สิ่งนี้ไม่ได้ตรวจสอบการปฏิบัติตามแนวปฏิบัติ การตรวจสอบจริงสามารถทำได้เฉพาะในการทดลองทางกายภาพจริงเท่านั้น

การทดลองคือการทดลอง เพราะว่ามันไม่ใช่การขัดเกลาความคิด แต่เป็นการทดสอบความคิด ความคิดที่สอดคล้องในตนเองไม่สามารถตรวจสอบตัวเองได้ สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดย Kurt Gödel