Напівпровідниковий інжекційний лазер. Курсова робота напівпровідниковий лазер Розрахунок та проектування напівпровідникового лазера

Напівпровідникові інжекційні лазери,так само, як і інший тип твердотільних випромінювачів світлодіоди,є найважливішим елементом будь-якої оптоелектронної системи. В основі роботи того й іншого приладу лежить явище електролюмінесценції.Що стосується вищевказаних напівпровідникових випромінювачів, механізм електролюмінесценції реалізується шляхом випромінювальної рекомбінаціїнерівноважних носіїв заряду, інжектованих через p-n перехід.

Перші світлодіоди з'явилися на рубежі 50-х та 60-х років ХХ століття, а вже у 1961 р. Н.Г. Басов, О.М. Крохін та Ю.М. Поповзапропонували використовувати інжекцію у вироджених p-n переходух отримання лазерного ефекту. У 1962 р. американським фізикам Р. Холута співр. вдалося зареєструвати звуження спектральної лінії випромінювання напівпровідникового світлодіода, що було інтерпретовано як прояв лазерного ефекту («надвипромінювання»). У 1970 р. російськими фізиками - Ж.І. Алфьоровиміз співр. були виготовлені перші лазери на гетероструктурахЦе дозволило зробити прилади придатними для масового серійного випуску, що у 2000 р. відзначено Нобелівською премієюпо фізиці. В даний час напівпровідникові лазери набули найширшого поширення в основному в пристроях для запису та зчитування інформації з комп'ютерних, аудіо- та відео- компакт-дисків. Основними перевагами напівпровідникових лазерів є:

1. Економічність,що забезпечується високою ефективністю перетворення енергії накачування в енергію когерентного випромінювання;

2. Мала інерційність,обумовлена ​​короткими характерними часами встановлення режиму генерації (~ 10 -10 c);

3. Компактність,пов'язана із властивістю напівпровідників забезпечувати величезне оптичне посилення;

4. Простий пристрійнизьковольтне харчування, сумісність з інтегральними мікросхемами(«мікрочіпами»);

5. Можливість плавної перебудови довжини хвиліу широкому діапазоні внаслідок залежності оптичних властивостейнапівпровідників від температури, тиску та ін.

Головною особливістюнапівпровідникових лазерів є використання в них оптичних переходівза участю рівнів енергії (енергетичних станів) основних електронних енергетичних зонкристала. У цьому відмінність напівпровідникових лазерів від, наприклад, рубінових лазерів, де використовуються оптичні переходи між домішковими рівнями іону хрому Cr 3+ Al 2 O 3 . Для застосування у напівпровідникових лазерах найбільш підходящими виявилися напівпровідникові сполуки A III B V (див. Введення). Саме на основі цих сполук та їх твердих розчиніввиготовляється промисловістю більша частина напівпровідникових лазерів. У багатьох напівпровідникових матеріалах цього класу рекомбінація надлишкових носіїв струму здійснюється шляхом прямихоптичних переходів між заповненими станами поблизу дна зони провідності та вільними станами поблизу вершини валентної зони (рис.1). Велика ймовірність оптичних переходів у прямозоннихнапівпровідниках та велика щільність станів у зонах дозволяють отримати високе оптичне посиленняу напівпровіднику.

Рис.1. Випускання фотона при випромінювальній рекомбінації у прямозонному напівпровіднику з інверсною заселеністю.

Розглянемо основні засади роботи напівпровідникового лазера. Якщо напівпровідниковий кристал, перебуває в стані термодинамічної рівновагиз навколишнім середовищем, то він здатний лише поглинатипадаюче на нього випромінювання. Інтенсивність світла, що пройшло в кристалі відстань х, задається відомим співвідношенням Бугера-Ламберта

Тут R- Коефіцієнт відображення світла;

α - Коефіцієнт поглинання світла.

Для того, щоб світло посилювався,проходячи через кристал, а не послаблювався, потрібно, щоб коефіцієнт α був менший за нуль, що в термодинамічно-рівноважному середовищі неможливо.Для роботи будь-якого лазера (газового, рідинного, твердотільного) потрібно, щоб робоче середовище лазера знаходилося в стані інверсної заселеності -такому стані, при якому кількість електронів на високолежачих рівнях енергії була б більшою, ніж на нижче розташованих рівнях (такий стан називається ще станом з негативною температурою). Отримаємо співвідношення, яке описує стан з інверсною заселеністю в напівпровідниках.

Нехай ε 1і ε 2 – оптично пов'язаніміж собою енергетичні рівні, перший із яких перебуває у валентній, а другий – у зоні провідності напівпровідника (рис.2). Термін "оптично пов'язані" означає, що переходи електрона між ними дозволені правилами відбору. Поглинаючи квант світла з енергією hν 12, електрон переходить із рівня ε 1на рівень ε 2. Швидкість такого переходу буде пропорційна ймовірності заселення першого рівня f 1 , ймовірності того, що другий рівень порожній: (1- f 2), і щільності потоку фотонів P(hν 12)

Зворотний перехід – з верхнього рівня на нижній, може відбуватися двома способами – за рахунок спонтанноюі вимушеноюрекомбінації. У другому випадку взаємодія кванта світла з електроном, що знаходиться на рівні ε 2 , «примушує» рекомбінувати електрон з випромінюваннямкванта світла, тотожноготому, що викликав процес вимушеної рекомбінації. Т.о. у системі відбувається посилення світла, як і становить суть роботи лазера. Швидкості спонтанної та вимушеної рекомбінації запишуться як:

(3)

У стані термодинамічної рівноваги

. (5)

Використовуючи умову 5, можна показати, що коефіцієнти О 12, О 21і А 21(«Коефіцієнти Ейнштейна») пов'язані між собою, а саме:

, (6)

де n –показник заломлення напівпровідника; з-швидкість світла.

Надалі, втім, спонтанну рекомбінацію ми не враховуватимемо, т.к. швидкість спонтанної рекомбінації не залежить від щільності потоку фотонів у робочому середовищі лазера, і швидкість вимушеної рекомбінації буде при великих значеннях Р(hν 12) суттєво перевищувати швидкість спонтанної рекомбінації. Для того, щоб відбувалося посилення світла, швидкість вимушених переходів зверху вниз повинна перевищувати швидкість переходів знизу вгору:

Записавши ймовірність заселення електронами рівнів з енергією ε 1і ε 2у вигляді

, (8)

отримаємо умову інверсної заселеності у напівпровідниках

т.к. мінімальна відстань між рівнями ε 1і ε 2саме дорівнює ширині забороненої зони напівпровідника ε g .Це співвідношення відоме як співвідношення Бернар-Дюрафура.

У формулу 9 входять значення т.зв. квазірівнів Фермі- рівнів Фермі окремо для зони провідності F Cта валентної зони F V. Така ситуація можлива тільки для нерівноважної, а точніше для квазірівноважнийсистеми. Для формування в обох дозволених зонах рівнів Фермі (рівнів, що розділяють заповнені електронами та порожні стани (див. Введення)), потрібно, щоб час релаксації імпульсуелектронів та дірок було на кілька порядків менше часу життянадлишкових носіїв заряду:

В результаті нерівноважнийзагалом електронно-дірковий газ можна розглядати як комбінацію рівноважного електронногогазу в зоні провідності та рівноважного дірочногогазу у валентній зоні (рис.2).


Рис.2. Енергетична діаграма напівпровідника з інверсною заселеністю рівнів. Заповнені електронами стану заштриховані.

Процедура створення в робочому середовищі лазера (у нашому випадку – у напівпровідниковому кристалі) інверсної заселеності зветься накачування.Накачування напівпровідникових лазерів може здійснюватися ззовні світлом, пучком швидких електронів, сильним радіочастотним полем, ударною іонізацією в напівпровіднику. Але найбільш простим, економічним і, тому, найбільш поширенимспособом накачування напівпровідникових лазерів є інжекціяносіїв заряду у виродженому p-n переході(див. методич. посібник "Фізика напівпровідникових приладів"; тунельний діод). Принцип такого накачування зрозумілий з рис.3, де наведено енергетична діаграматакого переходу в стані термодинамічної рівноваги та при великому прямому зміщенні. Видно, що в області d, що безпосередньо примикає до p-n переходу, реалізується інверсна заселеність – енегетична відстань між квазірівнями Фермі більша, ніж ширина забороненої зони.

Рис.3. Вироджений р-п перехіду стані термодинамічної рівноваги (ліворуч) та при великому прямому зміщенні (праворуч).

Однак створення в робочому середовищі інверсної заселеності є необхідним,але ще не достатньою умовоюдля створення лазерного випромінювання. У будь-якому лазері, і в напівпровідниковому - зокрема, частина потужності накачування, що підводиться до приладу, буде марно губитися. І тільки коли потужність накачування перевищить певну величину - поріг генерації,лазер починає працювати як квантовий підсилювач світла. При перевищенні порога генерації:

· а) різко зростаєінтенсивність випромінювання, що випускається приладом (рис.4а);

· б) звужуєтьсяспектральна лініявипромінювання (рис. 4б);

· в) випромінювання стає когерентним та вузькоспрямованим.

Рис.4. Зростання інтенсивності (ліворуч) та звуження спектральної лінії випромінювання (праворуч) напівпровідникового лазера при перевищенні струмом порогового значення.

Для досягнення порогових умов генерації робоче середовище лазера зазвичай поміщають у оптичний резонатор.Це збільшує довжину оптичного шляхупучка світла у робочому середовищі, полегшує досягнення порога генерації, сприяє кращому фокусуванню пучка тощо. З усієї різноманітності типів оптичних резонаторів у напівпровідникових лазерах найбільшого поширення набув найпростіший резонатор Фабрі-Перо– два плоско-паралельні дзеркала, перпендикулярних p-nпереходу. Причому як дзеркала використовуються відшліфовані грані напівпровідникового кристала.

Розглянемо проходження електромагнітної хвилі через такий резонатор. Приймемо коефіцієнт пропускання та коефіцієнт відображення лівого дзеркала резонатора за t 1і r 1, правого (через яке випромінювання виходить назовні) - за t 2і r 2; довжина резонатора – L. Нехай на ліву грань кристала падає ззовні електромагнітна хвиля, рівняння якої запишемо як:

. (11)

Пройшовши через ліве дзеркало, кристал і праве дзеркало, частина випромінювання вийде через праву грань кристала, частина відобразиться і знову піде до лівої грані (рис.5).

Рис.5. Електромагнітна хвиля у резонаторі Фабрі-Перо.

Подальший хід променя в резонаторі, амплітуди променів, що виходять і відбитих, зрозумілі з малюнка. Підсумуємо амплітуди всіх електромагнітних хвиль, що вийшли через праву грань кристала:

= (12).

Потрібно, щоб сума амплітуд всіх хвиль, що виходять через праву грань, не дорівнювала нулю навіть при зникаючий малій амплітуді хвилі на лівій грані кристала. Очевидно, що це може бути тільки тоді, коли і знаменник дробу (12) прагне нуля. Звідси отримаємо:

, (13)

і з урахуванням те, що інтенсивність світла , тобто ; , де R 1 , R 2 - коефіцієнти відображення дзеркал – граней кристала «по інтенсивності», і, до того ж, остаточно співвідношення для порога генерації запишемо як:

. (14)

З (11) слід, що множник 2Г, що входить у показник експоненти, пов'язаний з комплексним показником заломлення кристала:

У правій частині (15) перший доданок визначає фазу світлової хвилі, а друге – амплітуду. У звичайному, термодинамічно рівноважному середовищі - відбувається ослаблення (поглинання) світла, в активному робочому середовищі лазера це ж співвідношення слід записати у вигляді , де g - коефіцієнт посилення світла, а символом α iпозначені всі втратиенергії накачування, не обов'язково лише оптичної природи. Тоді амплітудна гранична умоваперепишеться як:

або . (16)

Таким чином, ми визначили необхідне(9) та достатня(16) умови генерації напівпровідникового лазера. Як тільки величина коефіцієнта посиленняперевищить втратина величину, що визначається першим доданком (16), у робочому середовищі з інверсною заселеністю рівнів почнеться посилення світла. Сама ж величина коефіцієнта посилення залежатиме від потужності накачування або, що для інжекційних лазерів те саме, від величини робочого струму.У звичайній робочій області напівпровідникових лазерів і лінійно залежить від величини робочого струму

. (17)

З (16) та (17) для порогового струмуотримаємо:

, (18)

де через I 0 позначений т.зв. «поріг інверсії» – значення робочого струму, у якому досягається інверсна заселеність у напівпровіднику. Т.к. Як правило, першим доданком в (18) можна знехтувати.

Коефіцієнт пропорційності β для лазера з використанням звичайного p-nпереходу та виготовленого, наприклад, з GaAs можна розрахувати за формулою

, (19)

де Ета Δ Е –положення та напівширина спектральної лінії випромінювання лазера.

Розрахунок за формулою 18 дає при кімнатній температурі Т=300К такого лазера дуже високі значення порогової щільності струму 5 . 10 4 А/см 2 тобто. такі лазери можуть експлуатуватися або при хорошому охолодженні або в режимі коротких імпульсів. Тому, як зазначалося вище, лише створення 1970 р. групою Ж.И.Алферова лазерів на гетеропереходахдозволило на 2 порядки знизитипорогові струми напівпровідникових лазерів, що зрештою і призвело до масового застосування цих приладів в електроніці.

Для того щоб зрозуміти, як цього вдалося досягти, розглянемо докладніше структуру втрату напівпровідникових лазерах. До неспецифічних, загальним для будь-яких лазерів,і в принципі непереборних втратслід віднести втрати на спонтанні переходита втрати на термалізацію.

Спонтанні переходиз верхнього рівня на нижній будуть присутні завжди, а оскільки випромінювані при цьому кванти світла матимуть випадковий розподіл по фазі та напрямку поширення (не будуть когерентні), то витрати енергії накачування на генерацію спонтанно-рекомбінуючих електрон-діркових пар слід зарахувати до втрат.

За будь-якого способу накачування в зону провідності напівпровідника будуть закидатися електрони, з енергією, більшої енергії квазірівня Фермі F З. Ці електрони, втрачаючи енергію у зіткненнях з дефектами решітки, досить швидко опускаються до квазірівня Фермі – процес, що називається термалізацією.Енергія, втрачена електронами при розсіянні їх на дефектах грат, є втрати на термалізацію.

До частково-усунутимвтрат можна віднести втрати на безвипромінювальну рекомбінацію. У прямозонних напівпровідниках за безвипромінювальну рекомбінацію відповідають зазвичай глибокі домішкові рівні (див. "Фотоефект в однорідних напівпровідниках"). Ретельне очищення напівпровідникового кристала від домішок, що утворюють такі рівні, зменшує ймовірність безвипромінювальної рекомбінації.

І, нарешті, втрати на нерезонансне поглинанняі на струми витокуможна значно зменшити, застосовуючи для виготовлення лазерів гетероструктури.

На відміну від звичайних p-n переходів, де праворуч і ліворуч від точки контакту розташовуються однакові напівпровідники, що відрізняються тільки складом домішок і типом провідності, в гетероструктурах по обидва боки контакту розташовуються різні по хімічного складунапівпровідники. Ці напівпровідники мають різну ширину забороненої зони, тому в точці контакту спостерігатиметься "стрибок" потенційної енергії електрона (типу "гачок" або типу "стінка" (рис.6)).


Рис.6. Інжекційний лазер на основі двосторонньої гетероструктури у стані термодинамічної рівноваги (ліворуч) та в робочому режимі (праворуч).

Залежно від типу провідності напівпровідників гетероструктури можуть бути ізотипними(p-P; n-N гетероструктури) та анізотипними(p-N; n-P гетероструктури). Заголовними літерами в гетероструктурах прийнято позначати напівпровідник з більшою шириною забороненої зони. Не будь-які напівпровідники здатні утворювати якісні гетероструктури, придатні до створення з їхньої основі електронних приладів. Для того, щоб межа розділу містила якнайменше дефектів, компоненти гетероструктури повинні мати однакову кристалічну структуруі дуже близькі значенняпостійної кристалічної решітки. Серед напівпровідників групи A III B V лише дві пари сполук відповідають цій вимогі: GaAs-AlAs та GaSb-AlSb та їх тверді розчини(Див. Введення), тобто. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1-x Sb. Ускладнюючи склад напівпровідників, можна підібрати інші пари, придатні для створення гетероструктур, наприклад InP-In x Ga 1- x As y P 1- y ; InP-Al x Ga 1-x As y Sb 1-y. Інжекційні лазери виготовляються з гетероструктур на основі напівпровідникових сполук A IV B VI , таких як PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - ці лазери випромінюють у дальній інфрачервоній області спектра.

Втрати на струми витокуу гетеролазерах вдається практично повністю усунути завдяки різниці у ширині заборонених зон напівпровідників, які формують гетероструктуру. Дійсно (рис.3), ширина області d поблизу звичайного p-n переходу, де виконується умова інверсної заселеності, становить всього 1 мкм, в той час як інжектовані через перехід носії заряду рекомбінують набагато більшою за розмірами області L n +L p шириною 10 мкм . Рекомбінація носіїв у цій галузі не робить внесок у когерентне випромінювання. У двосторонній N-p-P гетероструктурі (рис.6) область з інверсною заселеністю збігається з товщиною шару вузькозонного напівпровідникау центрі гетеролазера. Практично всеінжектовані в цю область з широкозонних напівпровідників електрони та дірки. там і рекомбінують.Потенційні бар'єри на межі розділу широкозонного та вузькозонного напівпровідника не дають «розтікатися» носіям заряду, що різко підвищує ефективність такої структури порівняно із звичайним (рис.3) p-n переходом.

У шарі вузькозонного напівпровідника будуть зосереджені не лише нерівноважні електрони та дірки, а й більша частина випромінювання.Причина цього явища у тому, що напівпровідники, складові гетероструктуру, відрізняються величиною показника заломлення. Як правило, показник заломлення вище у вузькозонного напівпровідника. Тому всі промені, що мають кут падіння на кордон двох напівпровідників

, (20)

зазнають повне внутрішнє відбиток.Отже, випромінювання буде «замкнене» в активному шарі (мал.7), що суттєво зменшить втрати на нерезонансне поглинання(зазвичай це т.зв. «поглинання вільними носіями заряду»).

Рис.7. Оптичне обмеження при поширенні світла у гетероструктурі. При вугіллі падіння більшому θ відбувається повне внутрішнє відображення від межі розділу напівпровідників, що становлять гетероструктуру.

Все сказане вище і дозволяє отримати в гетеролазерах гігантське оптичне посиленняпри мікроскопічних розмірах активної області: товщина активного шару, довжина резонатора . Гетеролазери працюють при кімнатній температурі безперервному режимі, а характерні щільності робочих струмівне перевищують 500 А/см2. Спектр випромінюваннябільшості серійно-випущених лазерів, в яких робочим середовищем є арсенід галію,представляє вузьку лінію з максимумом у ближній інфрачервоній області спектру , хоча розроблені напівпровідникові лазери, що дають видиме випромінювання, і лазери, що випромінюють в далекій інфрачервоній області з .

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Подібні документи

    Поширення імпульсу електромагнітної енергії світловодом. Міжмодова дисперсія у багатомодових світловодах. Визначення внутрішньомодової дисперсії. Матеріальна та хвилеводна дисперсія в одномодовому волоконному світловоді. Довжина хвилі нульової дисперсії.

    контрольна робота , доданий 18.05.2011

    Інжекційний механізм накачування. Величина напруги, що зміщує. Основні характеристики напівпровідникових лазерів та його групи. Типовий спектр випромінювання напівпровідникового лазера. Величини порогових струмів. Потужність випромінювання лазера у імпульсному режимі.

    презентація , додано 19.02.2014

    Розрахунок довжини регенераційної ділянки волоконно-оптичної системи (ВОЛЗ) передачі інформації за заданими параметрами енергетичного потенціалу системи та дисперсії у волоконних світловодах. Оцінка швидкодії ВОЛЗ. Визначення ширини смуги пропускання.

    контрольна робота , доданий 29.05.2014

    Ербієві підсилювачі оптичного сигналу. Параметри підсилювачів волокон. Вихідна потужністьсигналу та енергетична ефективність накачування. Ширина та рівномірність смуги посилення. Напівпровідниковий лазер накачування "ЛАТУС-К". Конструкція лазера накачування.

    дипломна робота , доданий 24.12.2015

    Етапи розробки та перспективи впровадження проекту створення бюджетного лазерного комплексу на базі напівпровідникового лазера, призначеного для обробки органічних матеріалів. Дослідження основних параметрів та характеристик фотоприймача.

    курсова робота , доданий 15.07.2015

    Розрахунок напівпровідникової лазерної структури на основі сполук третьої та п'ятої груп для волоконно-оптичних ліній зв'язку III покоління. Вибір структури кристала. Розрахунок параметрів, РОС-резонатора, внутрішнього квантового виходу оптичного обмеження.

    курсова робота , доданий 05.11.2015

    Прокладає волоконно-оптичний кабель із застосуванням апаратури синхронної цифрової ієрархії СЦІ (SDH), замість ущільненої системи К-60п, на ділянці "Джетигара - Комсомолець". Розрахунок гранично допустимих рівнів випромінювання напівпровідникового лазера.

    дипломна робота , доданий 06.11.2014

    Падіння плоскої хвилі на межу розділу двох середовищ, співвідношення хвильових опорів та компонентів поля. Розповсюдження поляризованих хвиль у металевому світловоді, розрахунок глибини їх проникнення. Визначення поля усередині діелектричного світловоду.

    курсова робота , доданий 07.06.2011

Вступ

Одним із найчудовіших досягнень фізики другої половини ХХ століття було відкриття фізичних явищ, що послужили основою для створення дивовижного приладу оптичного квантового генератора, або лазера.

Лазер є джерелом монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світлового променя.

Квантові генератори є особливим класом електронних приладів, що увібрав у себе найсучасніші досягнення різних галузей науки і техніки.

Газовими називають лазери, в яких активним середовищем є газ, суміш кількох газів або суміш газів з парами металу.

Газові лазери є найбільш широко використовуваний нині тип лазерів. Серед різних типів газових лазерів завжди можна знайти лазер, який задовольнятиме майже будь-якій вимогі, що висувається до лазера, за винятком дуже великої потужності у видимій області спектра в імпульсному режимі.

Великі потужності необхідні багатьох експериментів щодо нелінійних оптичних властивостей матеріалів. В даний час великі потужності в газових лазерах не отримані через те, що щільність атомів у них недостатньо велика. Однак майже для всіх інших цілей можна знайти конкретний тип газового лазера, який буде перевершувати як твердотільні лазери з оптичним накачуванням, і напівпровідникові лазери.

Велику групу газових лазерів складають газорозрядні лазери, в яких активним середовищем є розріджений газ (тиск 1–10 мм рт. ст.), а накачування здійснюється електричним розрядом, який може бути тліючим або дуговим і створюється постійним струмом або змінним струмом високої частоти (10 -50 МГц).

Існує кілька типів газорозрядних лазерів. У іонних лазерах випромінювання виходить з допомогою переходів електронів між енергетичними рівнями іонів. Прикладом є аргоновий лазер, в якому використовується дуговий розряд. постійного струму.

Лазери на атомних переходах генерують з допомогою переходів електронів між енергетичними рівнями атомів. Ці лазери дають випромінювання із довжиною хвилі 0,4–100 мкм. Приклад - гелій-неоновий лазер, що працює на суміші гелію та неону під тиском близько 1 мм рт. ст. Для накачування служить розряд, що тліє, створюваний постійною напругою приблизно 1000 В.

До газорозрядних відносяться молекулярні лазери, в яких випромінювання виникає від переходів електронів між енергетичними рівнями молекул. Ці лазери мають широкий діапазон частот, відповідний довжин хвиль від 0,2 до 50 мкм.

Найбільш поширений з молекулярних лазерів на діоксиді вуглецю (СО 2 -лазер). Він може давати потужність до 10 кВт та має досить високий ККД – близько 40%. До основного вуглекислого газу зазвичай додають домішки азоту, гелію та інших газів. Для накачування застосовують розряд постійного струму, що тліє, або високочастотний. Лазер на діоксид вуглецю створює випромінювання з довжиною хвилі близько 10 мкм.

Проектування квантових генераторів дуже трудомістке через велику різноманітність процесів, що визначають їх експлуатаційні характеристики, але, незважаючи на це, газові лазери на вуглекислому газі використовуються в багатьох сферах.

На основі CO 2 -лазерів розроблені та успішно експлуатуються системи лазерного наведення, локаційні системи контролю. довкілля(лідери), технологічні установки лазерного зварювання, різання металів та діелектричних матеріалів, установки скрайбування скляних поверхонь, поверхневого загартування сталевих виробів. Також CO2-лазери широко застосовують у системах космічного зв'язку.

Основним завданням дисципліни «оптоелектронні квантові прилади та пристрої» є вивчення фізичних основ, устрою, принципів дії, характеристик та параметрів найважливіших приладів та пристроїв, що використовуються в оптичних системах зв'язку. До них відносяться квантові генератори та підсилювачі, оптичні модулятори, фотоприймальні пристрої, нелінійно-оптичні елементи та пристрої, голографічні та інтегрально-оптичні компоненти. З цього випливає актуальність теми даного курсового проекту.

Метою даного курсового проекту є опис газових лазерів та розрахунок гелій-неонового лазера.

Відповідно до мети вирішуються такі завдання:

Вивчення принципу роботи квантового генератора;

Вивчення пристрою та принципу роботи 2 -лазера;

Вивчення документації з техніки безпеки під час роботи з лазерами;

Розрахунок 2 -лазера.

1 Принцип роботи квантового генератора

Принцип роботи квантових генераторів ґрунтується на посиленні електромагнітних хвиль за допомогою ефекту вимушеного (індукованого) випромінювання. Посилення забезпечується за рахунок виділення внутрішньої енергії при стимульованих зовнішнім випромінюванням переходах атомів, молекул, іонів з деякого збудженого верхнього енергетичного рівняна нижній (нижче розташований). Ці вимушені переходи викликаються фотонами. Енергію фотона можна обчислити за такою формулою:

hν = E 2 - E 1 ,

де E2 та E1 – енергії верхнього та нижнього рівнів;

h = 6,626∙10-34 Дж∙с – постійна Планка;

ν = c/λ – частота випромінювання, c – швидкість світла, λ – довжина хвилі.

Порушення, або, як прийнято називати, накачування здійснюється або безпосередньо від джерела електричної енергії, або за рахунок потоку оптичного випромінювання, хімічної реакціїряду інших енергетичних джерел.

В умовах термодинамічної рівноваги розподіл частинок по енергіях однозначно визначається температурою тіла і описується законом Больцмана, згідно з яким, чим вищий рівень енергії, тим менша концентрація частинок, що перебувають у даному стані, тобто менша його населеність.

Під впливом накачування, що порушує термодинамічний рівновагу, може виникнути зворотна ситуація, коли населеність верхнього рівня перевищить населеність нижнього. Виникає стан, який називається інверсією населеностей. У цьому випадку кількість вимушених переходів з верхнього енергетичного рівня на нижній, за яких виникає індуковане випромінювання, перевищить кількість зворотних переходів, що супроводжуються поглинанням вихідного випромінювання. Оскільки напрям поширення, фаза і поляризація індукованого випромінювання збігаються з напрямком, фазою та поляризацією випромінювання, що впливає, виникає ефект його посилення.

Середовище, в якому можливе посилення випромінювання за рахунок індукованих переходів, називається активним середовищем. Основним параметром, що характеризує її підсилювальні властивості, служить коефіцієнт, або показник посилення k - параметр, що визначає зміну потоку випромінювання на частоті на одиницю довжини простору взаємодії.

Підсилювальні властивості активного середовища можна істотно підвищити, застосовуючи відомий у радіофізиці принцип позитивного зворотного зв'язку, коли частина посиленого сигналу повертається назад в активне середовище та повторно посилюється. Якщо при цьому посилення перевищує всі втрати, включаючи ті, що використовуються як корисний сигнал (корисні втрати) виникає режим автогенерації.

Автогенерація починається з появи спонтанних переходів та розвивається до деякого стаціонарного рівня, що визначається балансом між посиленням та втратами.

У квантовій електроніці для створення позитивного зворотного зв'язку на даній довжині хвилі використовують переважно відкриті резонатори – систему з двох дзеркал, одне з яких (глухе) може бути зовсім непрозорим, друге (вихідне) робиться напівпрозорим.

Область генерації лазерів відповідає оптичному діапазону електромагнітних хвиль, тому резонатори лазерів називають ще оптичними резонаторами.

Типова функціональна схема лазера із зазначеними вище елементами показана малюнку 1.

Обов'язковим елементом конструкції газового лазера має бути оболонка (газорозрядна трубка), обсяг якої знаходиться газ певного складу при заданому тиску. З торцевих боків оболонка закрита вікнами із прозорого для лазерного випромінювання матеріалу. Ця функціональна частина пристрою називається активним елементом. Вікна зменшення втрат відбиття від поверхні встановлюють під кутом Брюстера. Лазерне випромінювання у таких приладах завжди поляризоване.

Активний елемент разом із дзеркалами резонатора, встановленими зовні активного елемента, називається випромінювачем. Можливий варіант, коли дзеркала резонатора закріплюються безпосередньо на торцях оболонки активного елемента, виконуючи одночасно функцію вікон герметизації газового об'єму (лазер з внутрішніми дзеркалами).

Залежність коефіцієнта посилення активного середовища від частоти (контур посилення) визначається формою спектральної лінії робочого квантового переходу. Лазерна генерація виникає лише на таких частотах у межах цього контуру, при яких у просторі між дзеркалами укладається ціле число напівхвиль. В цьому випадку в результаті інтерференції прямих і зворотних хвиль у резонаторі формуються так звані хвилі стоячі з вузлами енергії на дзеркалах.

Структура електромагнітного поля стоячих хвиль у резонаторі може бути різноманітною. Її конкретні зміни прийнято називати модами. Коливання з різними частотами, але однаковим розподілом поля у поперечному напрямку називаються поздовжніми (або аксіальними) модами. Їх пов'язують із хвилями, що розповсюджуються строго вздовж осі резонатора. Коливання, що відрізняються один від одного розподілом поля у поперечному напрямку, відповідно - поперечними (або неаксіальними) модами. Їх пов'язують з хвилями, що розповсюджуються під різними невеликими кутами до осі та мають відповідно поперечну складову хвильового вектора. Для позначення різних мод використовується така абревіатура: ТЕМmn. У цьому значенні m і n – індекси, що показують періодичність зміни поля на дзеркалах за різними координатами в поперечному напрямку. Якщо під час роботи лазера генерується лише основна (найнижча) мода, говорять про одномодовому режимі роботи. За наявності кількох поперечних мод режим називається багатомодовим. При роботі в одномодовому режимі можлива генерація на декількох частотах з різною кількістю поздовжніх мод. Якщо генерація відбувається лише на одній поздовжній моді, говорять про одночастотний режим.

Малюнок 1 – Схема газового лазера.

На малюнку прийняті такі позначення:

  1. Дзеркала оптичного резонатора;
  2. Вікна оптичного резонатора;
  3. Електроди;
  4. Газорозрядна трубка.

2 Пристрій та принцип роботи СО 2 -лазера

Схематично пристрій 2 -лазера представлений на малюнку 2.


Малюнок 2 – Принцип пристрою СО2-лазера.

Однією з найпоширенішим різновидом СО 2-лазерів є газодинамічні лазери. Вони інверсна населеність, необхідна лазерного випромінювання, досягається з допомогою те, що газ, попередньо нагрітий до 1500 До при тиску 20–30 атм. , надходить у робочу камеру, де він розширюється, яке температура і тиск різко знижуються. Такі лазери можуть дати безперервне випромінювання потужністю до 100 кВт.

Для створення активного середовища (як кажуть, «накачування») СО 2-лазерів найчастіше використовують розряд постійного струму, що тліє. У Останнім часомвсе ширше застосовують високочастотний розряд. Але це особлива тема. Високочастотний розряд та ті найважливіші застосування, які він знайшов у наш час (не лише в лазерній техніці), – це тема окремої статті. Про загальних принципахроботи електророзрядних СО 2 -лазерів, проблемах, які при цьому виникають, та деяких конструкціях, заснованих на застосуванні розряду постійного струму.

На самому початку 70-х років в ході розробки потужних СО 2-лазерів з'ясувалося, що розряду властиві незвідані досі риси і згубні для лазерів нестійкості. Вони ставлять майже непереборні перешкоди спробам заповнити плазмою великий об'єм при підвищеному тиску, що саме потрібно для отримання великих лазерних потужностей. Мабуть, жодна з проблем прикладного характеру не послужила в останні десятиліття прогресу науки про електричний розряд у газах так, як завдання створення потужних 2 -лазерів безперервної дії.

Розглянемо Принцип роботи СО 2 лазера.

Активним середовищем майже будь-якого лазера служить речовина, у певних молекулах чи атомах якого у певній парі рівнів можна створити інверсну заселеність. Це означає, що кількість молекул, що у верхньому квантовому стані, відповідному радіаційному лазерному переходу, перевищує кількість молекул, що у нижньому. На відміну від звичайної ситуації промінь світла, проходячи через подібне середовище, не поглинається, а посилюється, що відкриває можливість генерації випромінювання.

Чи знаєте ви, що таке уявний експеримент, gedanken experiment?
Це неіснуюча практика, потойбічний досвід, уяву того, чого немає насправді. Думкові експерименти подібні до снам наяву. Вони народжують чудовиськ. На відміну від фізичного експерименту, який є досвідченою перевіркою гіпотез, "думковий експеримент" фокусічно підміняє експериментальну перевірку бажаними, не перевіреними на практиці висновками, маніпулюючи логікоподібними побудовами, що реально порушують саму логіку шляхом використання недоведених посилок як доведені. Отже, основним завданням заявників " уявних експериментів " є обман слухача чи читача шляхом заміни справжнього фізичного експерименту його " лялькою " - фіктивними міркуваннями під слово слово без самої фізичної перевірки.
Заповнення фізики уявними, " уявними експериментами " призвело до виникнення абсурдної сюрреалістичної, сплутано-заплутаної картини світу. Справжній дослідник має відрізняти такі "фантики" від справжніх цінностей.

Релятивісти і позитивісти стверджують, що "думковий експеримент" дуже корисний інструмент для перевірки теорій (також виникають у нашому розумі) на несуперечність. У цьому вони дурять людей, оскільки будь-яка перевірка може здійснюватися лише незалежним від об'єкта перевірки джерелом. Сам заявник гіпотези не може бути перевіркою своєї ж заяви, оскільки причиною самої цієї заяви є відсутність видимих ​​для заявника протиріч у заяві.

Це ми бачимо на прикладі СТО та ОТО, які перетворилися на своєрідний вид релігії, керуючої наукою та громадською думкою. Жодна кількість фактів, що суперечать їм, не може подолати формулу Ейнштейна: "Якщо факт не відповідає теорії - змініть факт" (В іншому варіанті "- Факт не відповідає теорії? - Тим гірше для факту").

Максимально, потім може претендувати " уявний експеримент " - це лише внутрішню несуперечність гіпотези у межах своєї, часто зовсім на істинної логіки заявника. Відповідно до практики це не перевіряє. Ця перевірка може відбутися тільки в дійсному фізичному експерименті.

Експеримент на те й експеримент, що він є не витончення думки, а перевірка думки. Несуперечлива в собі думка не може сама себе перевірити. Це доведено Куртом Геделем.