Yarimo'tkazgichli in'ektsiya lazeri. Kurs ishi yarimo'tkazgichli lazer Yarimo'tkazgichli lazerni hisoblash va loyihalash

Yarimo'tkazgichli in'ektsiya lazerlari, xuddi boshqa turdagi qattiq holat emitentlari kabi - LEDlar, har qanday optoelektronik tizimning eng muhim elementi hisoblanadi. Ikkala qurilmaning ishlashi hodisaga asoslanadi elektroluminesans. Yuqoridagi yarimo'tkazgichli emitrlarga nisbatan elektroluminesans mexanizmi tomonidan amalga oshiriladi radiatsion rekombinatsiya orqali AOK qilingan muvozanatsiz zaryad tashuvchilar p-n birikmasi.

Birinchi LEDlar XX asrning 50-60-yillari oxirida va 1961 yilda paydo bo'lgan. N.G. Basov, O.N. Kroxin va Yu.M. Popov lazer effektini olish uchun degeneratsiyalangan p-n o'tish joylarida in'ektsiyadan foydalanishni taklif qildi. 1962 yilda amerikalik fiziklar R. Hall va boshqalar. Yarimo'tkazgichli LEDning spektral emissiya chizig'ining torayishini qayd etish mumkin edi, bu lazer effektining namoyon bo'lishi ("super nurlanish") sifatida talqin qilindi. 1970 yilda rus fiziklari - J.I. Alferov va boshqalar. birinchilari yaratilgan heterostrukturali lazerlar. Bu 2000 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan qurilmalarni ommaviy seriyali ishlab chiqarish uchun mos qilish imkonini berdi. Hozirgi vaqtda yarimo'tkazgichli lazerlar asosan kompyuter, audio va video kompakt disklardan ma'lumotlarni yozib olish va o'qish qurilmalarida keng qo'llaniladi. Yarimo'tkazgichli lazerlarning asosiy afzalliklari quyidagilardan iborat:

1. Iqtisodiy, nasos energiyasini kogerent nurlanish energiyasiga aylantirishning yuqori samaradorligi bilan ta'minlanadi;

2. Past inertsiya, ishlab chiqarish rejimini o'rnatish uchun qisqa xarakterli vaqtlar tufayli (~ 10 -10 s);

3. Kompaktlik, katta optik daromadni ta'minlash uchun yarimo'tkazgichlarning mulki bilan bog'liq;

4. Oddiy qurilma past kuchlanishli elektr ta'minoti, integral mikrosxemalar bilan mosligi ("mikrochiplar");

5. Imkoniyat silliq to'lqin uzunligini sozlash yarimo'tkazgichlarning optik xususiyatlarining harorat, bosim va boshqalarga bog'liqligi tufayli keng diapazonda.

Asosiy xususiyat ularda yarimo'tkazgichli lazerlardan foydalaniladi optik o'tishlar energiya darajalarini o'z ichiga olgan (energiya holatlari) asosiy elektron energiya zonalari kristall. Bu yarimo'tkazgichli lazerlar va, masalan, Al 2 O 3 tarkibidagi Cr 3+ xrom ionining nopoklik darajalari o'rtasida optik o'tishlardan foydalanadigan ruby ​​lazerlar o'rtasidagi farq. Yarimo'tkazgichli lazerlarda foydalanish uchun A III B V yarimo'tkazgichli birikmalar eng mos bo'lib chiqdi (Kirishga qarang). Bu birikmalar va ularning asosida qattiq eritmalar Ko'pgina yarimo'tkazgichli lazerlar sanoat tomonidan ishlab chiqariladi. Ushbu sinfning ko'pgina yarimo'tkazgichli materiallarida ortiqcha tok tashuvchilarning rekombinatsiyasi tomonidan amalga oshiriladi bevosita o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismiga yaqin to'ldirilgan holatlar va valentlik zonasining yuqori qismiga yaqin bo'lgan erkin holatlar orasidagi optik o'tishlar (1-rasm). Optik o'tishning yuqori ehtimoli to'g'ridan-to'g'ri bo'shliq yarimo'tkazgichlar va bantlardagi holatlarning yuqori zichligi olish imkonini beradi yuqori optik daromad yarimo'tkazgichda.

1-rasm. Invertli populyatsiyaga ega to'g'ridan-to'g'ri bo'shliqli yarimo'tkazgichda radiatsion rekombinatsiya paytida foton emissiyasi.

Keling, yarimo'tkazgichli lazerning ishlashning asosiy tamoyillarini ko'rib chiqaylik. Agar yarimo'tkazgich kristall holatda bo'lsa termodinamik muvozanat atrof-muhit bilan, keyin u faqat qodir singdirish uning ustida radiatsiya hodisasi. Kristalda masofani bosib o'tadigan yorug'likning intensivligi X, ma'lum munosabat bilan beriladi Bouger-Lambert

Bu yerga R- yorug'likni aks ettirish koeffitsienti;

α - yorug'likni yutish koeffitsienti.

Nurga ruxsat berish uchun kuchaygan kristalldan o'tib, zaiflashgandan ko'ra, koeffitsient talab qilinadi α noldan kichik edi, ya'ni termodinamik muvozanat muhiti mumkin emas. Har qanday lazer (gaz, suyuqlik, qattiq holat) ishlashi uchun lazerning ish muhiti bir holatda bo'lishi kerak. teskari populyatsiya - yuqori energiya darajasidagi elektronlar soni quyi energiya darajalariga qaraganda ko'proq bo'lgan holat (bu holat "salbiy harorat holati" deb ham ataladi). Yarimo'tkazgichlarda teskari populyatsiya bilan holatni tavsiflovchi munosabatni olaylik.

Mayli e 1 Va e 2 – optik bog'langan bir-biri orasidagi energiya darajalari, birinchisi valentlik zonasida, ikkinchisi esa yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanlik zonasida (2-rasm). "Optik bog'langan" atamasi ular orasidagi elektron o'tishlariga tanlov qoidalari bilan ruxsat etilganligini anglatadi. Yorug'lik kvantini energiya bilan yutish hn 12, elektron sathidan harakat qiladi e 1 har bir daraja e 2. Bunday o'tish tezligi birinchi darajani to'ldirish ehtimoli bilan mutanosib bo'ladi f 1, ikkinchi daraja bo'sh bo'lish ehtimoli: (1- f 2) va foton oqimining zichligi P(hn 12)

Teskari o'tish - yuqori darajadan pastki qismga, ikki yo'l bilan sodir bo'lishi mumkin - tufayli o'z-o'zidan Va majbur rekombinatsiya. Ikkinchi holda, yorug'lik kvantining e 2 darajasida joylashgan elektron bilan o'zaro ta'siri elektronni qayta birlashishga "majbur qiladi". emissiya yorug'lik kvanti, bir xil majburiy rekombinatsiya jarayoniga sabab bo'lgan. Bu. Tizimda yorug'likni kuchaytirish sodir bo'ladi, bu lazerning ishlashining mohiyatidir. Spontan va majburiy rekombinatsiya stavkalari quyidagicha yoziladi:

(3)

Termodinamik muvozanat holatida

. (5)

5-shartdan foydalanib, koeffitsientlar ekanligini ko'rsatish mumkin 12 da, 21 da Va A 21("Eynshteyn koeffitsientlari") bir-biri bilan bog'liq, xususan:

, (6)

Qayerda n - yarimo'tkazgichning sinishi ko'rsatkichi; Bilan- yorug'lik tezligi.

Keyinchalik, biz spontan rekombinatsiyani hisobga olmaymiz, chunki spontan rekombinatsiya tezligi lazerning ish muhitida foton oqimining zichligiga bog'liq emas va majburiy rekombinatsiya tezligi katta qiymatlarda bo'ladi. R(hn 12) spontan rekombinatsiya tezligidan sezilarli darajada oshadi. Yorug'likning kuchayishi uchun majburiy yuqoridan pastga o'tish tezligi pastdan yuqoriga o'tish tezligidan oshishi kerak:

Elektronlarning energiya darajalarini egallash ehtimolini yozgan e 1 Va e 2 sifatida

, (8)

yarimo'tkazgichlarda teskari populyatsiya shartini olamiz

chunki darajalar orasidagi minimal masofa e 1 Va e 2 faqat yarimo'tkazgichning tarmoqli bo'shlig'iga teng eg. Bu munosabat sifatida tanilgan Bernard-Dyurafour munosabati.

Formula 9 deb atalmish qiymatlarni o'z ichiga oladi. kvazi-fermi darajalari- Fermi darajalari o'tkazuvchanlik zonasi uchun alohida F C va valentlik zonasi F V. Bu holat faqat muvozanatli bo'lmagan vaziyat uchun, aniqrog'i, uchun mumkin kvazi muvozanat tizimlari. Ikkala ruxsat etilgan diapazonda (elektron bilan to'ldirilgan va bo'sh holatlarni ajratib turadigan darajalar (Kirishga qarang)) Fermi darajalarini hosil qilish uchun quyidagilar talab qilinadi: pulsning bo'shashish vaqti elektronlar va teshiklarning kattaligining bir necha tartiblari mavjud edi kamroq umr ortiqcha zaryad tashuvchilar:

Natijada muvozanatsizlik umuman olganda, elektron-teshik gazini birikma deb hisoblash mumkin muvozanat elektron o'tkazuvchanlik zonasida gaz va muvozanat teshigi valentlik zonasidagi gaz (2-rasm).


2-rasm. Invertlangan darajali yarimo'tkazgichning energiya diagrammasi. Elektron bilan to'ldirilgan holatlar soyalanadi.

Lazerning ish muhitida (bizning holatda, yarim o'tkazgich kristalida) teskari populyatsiyani yaratish tartibi deyiladi. nasos. Yarimo'tkazgichli lazerlar tashqaridan yorug'lik, tez elektronlar nurlari, kuchli radio chastotasi maydoni yoki yarimo'tkazgichning o'zida zarba ionlanishi bilan pompalanishi mumkin. Ammo eng oddiy, eng tejamkor va haqiqatga ko'ra, eng keng tarqalgan yarimo'tkazgichli lazerlarni pompalash usuli in'ektsiya zaryad tashuvchilar degenerativ p-n birikmasida("Yarim o'tkazgichlar fizikasi" uslubiy qo'llanmasiga qarang; tunnel diodi). Bunday nasosning printsipi 3-rasmdan aniq, bu erda energiya diagrammasi termodinamik muvozanat holatida bunday o'tish va at katta oldinga moyillik. Ko'rinib turibdiki, p-n o'tish joyiga to'g'ridan-to'g'ri qo'shni bo'lgan d mintaqasida teskari populyatsiya amalga oshiriladi - kvazi-Fermi darajalari orasidagi energiya masofasi tarmoqli bo'shlig'idan kattaroqdir.

3-rasm. Termodinamik muvozanat holatida (chapda) va katta oldinga egilishda (o'ngda) degeneratsiyalangan pn birikmasi.

Biroq, mehnat muhitida teskari aholini yaratish hisoblanadi zarur, Biroq shu bilan birga etarli shart emas lazer nurlanishini hosil qilish uchun. Har qanday lazerda, xususan, yarimo'tkazgichli lazerda qurilmaga etkazib beriladigan nasos quvvatining bir qismi befoyda yo'qoladi. Va faqat nasos quvvati ma'lum bir qiymatdan oshib ketganda - avlod chegarasi, lazer kvant yorug'lik kuchaytirgichi sifatida ishlay boshlaydi. Generatsiya chegarasi oshib ketganda:

· A) keskin ortadi qurilma tomonidan chiqarilgan nurlanishning intensivligi (4a-rasm);

b) torayib boradi spektral chiziq radiatsiya (4b-rasm);

· c) nurlanishga aylanadi izchil va tor yo'naltirilgan.

4-rasm. Oqim chegara qiymatidan oshib ketganda, intensivlikning oshishi (chapda) va yarimo'tkazgichli lazerning spektral emissiya chizig'ining (o'ngda) torayishi.

Lasingning chegaraviy shartlariga erishish uchun odatda lazer bilan ishlaydigan vosita joylashtiriladi optik rezonator. Bu optik yo'l uzunligini oshiradi ish muhitida yorug'lik nurining ta'siri, lasing chegarasiga erishishni osonlashtiradi, nurning yaxshiroq fokuslanishiga yordam beradi va hokazo. Yarimo'tkazgichli lazerlardagi optik rezonatorlarning xilma-xil turlaridan eng oddiyi eng keng tarqalgani hisoblanadi. Fabry-Perot rezonatori- pn birikmasiga perpendikulyar ikkita tekis-parallel nometall. Bundan tashqari, yarimo'tkazgich kristalining jilolangan qirralari oyna sifatida ishlatiladi.

Keling, elektromagnit to'lqinning bunday rezonator orqali o'tishini ko'rib chiqaylik. Rezonatorning chap oynasining o'tkazuvchanlik va aks ettirish koeffitsientini olamiz t 1 Va r 1, o'ng (radiatsiya u orqali o'chadi) - orqada t 2 Va r 2; rezonator uzunligi - L. Elektromagnit to'lqin kristalning chap tomoniga tashqi tomondan tushsin, uning tenglamasi quyidagicha yoziladi:

. (11)

Chap oyna, kristal va o'ng oynadan o'tib, nurlanishning bir qismi kristallning o'ng tomonidan chiqadi va bir qismi aks etadi va yana chap tomonga o'tadi (5-rasm).

5-rasm. Fabri-Perot rezonatoridagi elektromagnit to'lqin.

Rezonatordagi nurning keyingi yo'li, paydo bo'ladigan va aks ettirilgan nurlarning amplitudalari rasmdan aniq. Keling, chiqarilgan barcha elektromagnit to'lqinlarning amplitudalarini jamlaylik kristallning o'ng tomoni orqali:

= (12).

Biz kristalning chap tomonidagi to'lqinning amplitudasi yo'qolib ketsa ham, o'ng tomondan chiqadigan barcha to'lqinlarning amplitudalari yig'indisi nolga teng bo'lmasligini talab qilamiz. Shubhasiz, bu (12) dagi kasrning maxraji nolga moyil bo'lgandagina sodir bo'lishi mumkin. Bu erdan biz olamiz:

, (13)

va yorug'lik intensivligini hisobga olgan holda, ya'ni; , Qayerda R 1 , R 2 - ko'zgularning aks ettirish koeffitsientlari - kristall yuzlar "intensivlik bo'yicha" va qo'shimcha ravishda, biz nihoyat lazer chegarasi uchun nisbatni yozamiz:

. (14)

(11) dan ko'rinib turibdiki, ko'rsatkichga kiritilgan 2G omili kristalning murakkab sinishi ko'rsatkichi bilan bog'liq:

(15) ning o'ng tomonida birinchi atama yorug'lik to'lqinining fazasini, ikkinchisi esa amplitudani belgilaydi. Oddiy, termodinamik muvozanatli muhitda yorug'likning susayishi (yutilishi) sodir bo'ladi; lazerning faol ish muhitida xuddi shu munosabat shaklda yozilishi kerak. , Qayerda g - engil daromad, va belgisi a i tayinlangan barcha yo'qotishlar faqat optik xususiyatga ega bo'lishi shart emas, nasos energiyasi. Keyin amplituda chegara holati quyidagicha qayta yoziladi:

yoki . (16)

Shunday qilib, biz aniqladik zarur(9) va yetarli(16) yarimo'tkazgichli lazerni yaratish shartlari. Qiymati bilanoq daromad oshib ketadi yo'qotishlar birinchi muddat (16) tomonidan belgilangan miqdorda, darajalarning teskari populyatsiyasi bo'lgan ish muhitida yorug'lik kuchayishni boshlaydi. Daromadning o'zi nasos kuchiga yoki in'ektsiya lazerlari uchun bir xil bo'lgan kattalikka bog'liq bo'ladi. ish oqimi. Yarimo'tkazgichli lazerlarning odatiy ish sohasida va chiziqli ravishda ish oqimiga bog'liq

. (17)

(16) va (17) uchun chegara oqimi olamiz:

, (18)

qayerdan orqali I 0 deb nomlanadi "Inversiya chegarasi" - yarimo'tkazgichdagi teskari populyatsiyaga erishilgan ish oqimining qiymati. Chunki odatda, (18) dagi birinchi atama e'tibordan chetda qolishi mumkin.

Proportsionallik omili β an'anaviy p-n o'tishdan foydalangan holda lazer uchun va, masalan, GaA dan qilingan, formuladan foydalanib hisoblanishi mumkin.

, (19)

Qayerda E va D E - lazer nurlanishining spektral chizig'ining pozitsiyasi va yarmi kengligi.

18-formuladan foydalangan holda hisoblash xona haroratida T = 300 K uchun bunday lazer uchun chegara oqim zichligi 5 ning juda yuqori qiymatlarini beradi. 10 4 A / sm 2, ya'ni. Bunday lazerlarni yaxshi sovutish yoki qisqa puls rejimida ishlatish mumkin. Shuning uchun, yuqorida ta'kidlanganidek, faqat 1970 yilda J.I. Alferov guruhi tomonidan yaratilgan. hetero birlashma lazerlari ruxsat berilgan 2 darajaga kamaytiring yarimo'tkazgichli lazerlarning chegara oqimlari, natijada bu qurilmalarning elektronikada keng qo'llanilishiga olib keldi.

Bunga qanday erishilganini tushunish uchun keling, batafsilroq ko'rib chiqaylik yo'qotish tuzilishi yarimo'tkazgichli lazerlarda. Maxsus bo'lmaganlarga, barcha lazerlar uchun umumiy, va printsipial jihatdan tuzatib bo'lmaydigan yo'qotishlar yo'qotishlar hisoblanishi kerak spontan o'tishlar va yo'qotishlar termalizatsiya.

Spontan o'tishlar yuqori darajadan pastki darajaga har doim mavjud bo'ladi va bu holda chiqarilgan yorug'lik kvantlari faza va tarqalish yo'nalishi bo'yicha tasodifiy taqsimotga ega bo'ladi (ular bo'lmaydi). izchil), keyin o'z-o'zidan rekombinatsiya qiluvchi elektron-teshik juftlarini hosil qilish uchun nasos energiyasining sarflanishi yo'qotishlar sifatida tasniflanishi kerak.

Har qanday nasos usulida energiya kvazi-Fermi darajasining energiyasidan katta bo'lgan elektronlar yarim o'tkazgichning o'tkazuvchanlik zonasiga tashlanadi. F C. Ushbu elektronlar panjara nuqsonlari bilan to'qnashuvda energiyani yo'qotib, tezda kvazi-Fermi darajasiga tushadi - bu jarayon deyiladi. termalizatsiya. Elektronlar panjara nuqsonlari ustiga sochilganda yo'qotadigan energiya termallanish yo'qolishidir.

TO qisman olinadigan yo'qotishlar bo'yicha yo'qotishlarni o'z ichiga olishi mumkin radiatsion bo'lmagan rekombinatsiya. To'g'ridan-to'g'ri bo'shliqli yarimo'tkazgichlarda chuqur nopoklik darajasi odatda radiatsiyaviy bo'lmagan rekombinatsiya uchun javobgardir (qarang: "Bir hil yarim o'tkazgichlarda fotoelektr ta'siri"). Yarimo'tkazgich kristalini bunday darajalarni hosil qiluvchi aralashmalardan ehtiyotkorlik bilan tozalash radiatsiyaviy bo'lmagan rekombinatsiya ehtimolini kamaytiradi.

Va nihoyat, yo'qotishlar rezonanssiz yutilish va yana qochqin oqimlari ishlab chiqarish uchun lazerlarni qo'llash orqali sezilarli darajada kamayishi mumkin heterostrukturalar.

An'anaviy p-n o'tkazgichlardan farqli o'laroq, bir xil yarim o'tkazgichlar aloqa nuqtasining o'ng va chap tomonida joylashgan bo'lib, faqat aralashmalar tarkibi va o'tkazuvchanlik turi bilan farqlanadi, geterostrukturalarda turli xil kimyoviy tarkibdagi yarim o'tkazgichlar kontaktning ikkala tomonida joylashgan. Ushbu yarimo'tkazgichlar turli xil tarmoqli bo'shliqlariga ega, shuning uchun aloqa nuqtasida elektronning potentsial energiyasida ("kanca" turi yoki "devor" turi (6-rasm)) "sakrash" bo'ladi.


6-rasm. Termodinamik muvozanat holatida (chapda) va ish rejimida (o'ngda) ikki tomonlama heterostrukturaga asoslangan in'ektsiya lazeri.

Yarimo'tkazgichlarning o'tkazuvchanlik turiga qarab, geterostrukturalar bo'lishi mumkin izotipik(p-P; n-N heterostrukturalari) va anizotipik(p-N; n-P heterostrukturalari). Geterostrukturalarda bosh harflar odatda kattaroq diapazonli yarimo'tkazgichni bildiradi. Barcha yarim o'tkazgichlar ular asosida elektron qurilmalarni yaratish uchun mos keladigan yuqori sifatli heterostrukturalarni shakllantirishga qodir emas. Interfeys imkon qadar kamroq nuqsonlarni o'z ichiga olishi uchun heterostrukturaning tarkibiy qismlari bo'lishi kerak. bir xil kristall tuzilish va juda yaqin qiymatlar panjara doimiysi. A III B V guruhining yarim o'tkazgichlari orasida faqat ikkita juft birikma bu talabga javob beradi: GaAs-AlAs va GaSb-AlSb va ularning qattiq eritmalar(Kirishga qarang), ya'ni. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Yarimo'tkazgichlar tarkibini murakkablashtirib, heterostrukturalarni yaratish uchun mos keladigan boshqa juftlarni tanlash mumkin, masalan InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. Inyeksion lazerlar, shuningdek, PbTe-Pb x Sn 1- x Te kabi A IV B VI yarimo'tkazgich birikmalari asosidagi geterostrukturalardan tayyorlanadi; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - bu lazerlar spektrning uzoq infraqizil hududida chiqaradi.

Yo'qotishlar qochqin oqimlari heterolazerlarda geterostrukturani tashkil etuvchi yarimo'tkazgichlarning tarmoqli bo'shliqlaridagi farq tufayli uni deyarli butunlay yo'q qilish mumkin. Haqiqatan ham (3-rasm), teskari populyatsiya sharti qanoatlantiriladigan an'anaviy p-n o'tish joyi yaqinidagi d hududining kengligi bor-yo'g'i 1 mkmni tashkil etadi, birlashma orqali yuborilgan zaryad tashuvchilar esa L n + ancha kattaroq mintaqada rekombinatsiyalanadi. Kengligi 10 mkm bo'lgan L p. Ushbu mintaqada tashuvchilarning rekombinatsiyasi kogerent emissiyaga yordam bermaydi. IN ikki tomonlama N-p-P heterostrukturasi (6-rasm) teskari populyatsiyaga ega mintaqa tor bo'shliqli yarimo'tkazgich qatlamining qalinligi bilan mos keladi heterolazerning markazida joylashgan. Deyarli hamma narsa keng bo'shliqli yarimo'tkazgichlardan bu hududga AOK qilingan elektronlar va teshiklar u erda ular qayta birlashadilar. Keng va tor yarimo'tkazgichlar orasidagi interfeysdagi potentsial to'siqlar zaryad tashuvchilarning "tarqalishi" ga to'sqinlik qiladi, bu an'anaviy (3-rasm) p-n birikmasiga nisbatan bunday strukturaning samaradorligini sezilarli darajada oshiradi.

Tor bo'shliqli yarimo'tkazgich qatlamida nafaqat muvozanatsiz elektronlar va teshiklar to'planadi, balki radiatsiyaning katta qismi. Bu hodisaning sababi shundaki, geterostrukturani tashkil etuvchi yarim o'tkazgichlar o'zlarining sindirish ko'rsatkichlarining qiymati bilan farqlanadi. Odatda, tor bo'shliqli yarimo'tkazgich uchun sinishi ko'rsatkichi yuqori bo'ladi. Shuning uchun ikkita yarim o'tkazgich chegarasiga tushish burchagiga ega bo'lgan barcha nurlar

, (20)

boshdan kechiradi umumiy ichki aks ettirish. Shunday qilib, radiatsiya faol qatlamda "qulflangan" bo'ladi (7-rasm), bu esa yo'qotishlarni sezilarli darajada kamaytiradi. rezonanssiz yutilish(odatda bu "bepul zaryad tashuvchilar tomonidan so'rilish" deb ataladi).

7-rasm. Geterostrukturada yorug'lik tarqalishida optik cheklash. th dan kattaroq tushish burchagida, geterostrukturani tashkil etuvchi yarimo'tkazgichlar orasidagi interfeysdan umumiy ichki aks ettirish sodir bo'ladi.

Yuqoridagilarning barchasi geterolaserlarda olish imkonini beradi ulkan optik daromad faol hududning mikroskopik o'lchamlari bilan: faol qatlam qalinligi, rezonator uzunligi . Geterolazerlar xona haroratida ishlaydi doimiy rejim, va xarakterlidir ish oqimining zichligi 500 A/sm2 dan oshmasligi kerak. Emissiya spektri ish muhiti bo'lgan eng tijorat ishlab chiqarilgan lazerlar galliy arsenid, spektrning yaqin infraqizil hududida maksimal bo'lgan tor chiziqni ifodalaydi , garchi ko'rinadigan nurlanish hosil qiluvchi yarimo'tkazgichli lazerlar va uzoq infraqizil mintaqada chiqaradigan lazerlar ishlab chiqilgan bo'lsa-da. .

Yaxshi ishingizni bilimlar bazasiga yuborish oddiy. Quyidagi shakldan foydalaning

Talabalar, aspirantlar, bilimlar bazasidan o‘z o‘qishlarida va ishlarida foydalanayotgan yosh olimlar sizdan juda minnatdor bo‘lishadi.

Shunga o'xshash hujjatlar

    Elektromagnit energiya impulsining yorug'lik qo'llanmasi bo'ylab tarqalishi. Ko'p rejimli tolalarda intermode dispersiyasi. Rejim ichidagi dispersiyani aniqlash. Yagona rejimli tolali yorug'lik qo'llanmasida material va to'lqin uzatuvchi dispersiya. Nolinchi dispersiya to'lqin uzunligi.

    test, 2011-05-18 qo'shilgan

    Inyeksion nasos mexanizmi. Yo'naltirilgan kuchlanishning kattaligi. Yarimo'tkazgichli lazerlarning asosiy xarakteristikalari va ularning guruhlari. Yarimo'tkazgichli lazerning tipik emissiya spektri. Chegara oqimlarining qiymatlari. Impulsli rejimda lazer nurlanish kuchi.

    taqdimot, 2014-02-19 qo'shilgan

    Tizimning energiya potentsialining berilgan parametrlari va tolali yorug'lik yo'riqnomalarida dispersiya bo'yicha ma'lumot uzatish uchun optik tolali tizimning (FOLS) regeneratsiya qismining uzunligini hisoblash. Optik tolali aloqa liniyalarining tezligini baholash. O'tkazish qobiliyatining ta'rifi.

    test, 29.05.2014 qo'shilgan

    Erbium optik signal kuchaytirgichlari. Tolali kuchaytirgichlarning parametrlari. Signal chiqish quvvati va nasosning energiya samaradorligi. Qatnash chizig'ining kengligi va bir xilligi. "LATUS-K" yarimo'tkazgichli nasosli lazer. Nasosli lazer dizayni.

    dissertatsiya, 24/12/2015 qo'shilgan

    Organik materiallarni qayta ishlash uchun mo'ljallangan yarimo'tkazgichli lazer asosida arzon narxlardagi lazer majmuasini yaratish loyihasini ishlab chiqish bosqichlari va amalga oshirish istiqbollari. Fotodetektorning asosiy parametrlari va xususiyatlarini o'rganish.

    kurs ishi, 07/15/2015 qo'shilgan

    Uchinchi avlod optik tolali aloqa liniyalari uchun uchinchi va beshinchi guruhlarning ulanishlari asosida yarimo'tkazgichli lazer strukturasini hisoblash. Kristal tuzilishini tanlash. Parametrlarni hisoblash, DFB rezonatori, ichki kvant chiqishi, optik chegaralanish.

    kurs ishi, 2015 yil 11/05 qo'shilgan

    Jetygara - Komsomolets uchastkasida siqilgan K-60p tizimi o'rniga SDH sinxron raqamli ierarxiya (SDH) uskunasidan foydalangan holda optik tolali kabelni yotqizish. Yarimo'tkazgichli lazerning maksimal ruxsat etilgan nurlanish darajasini hisoblash.

    dissertatsiya, 2014 yil 11/06 qo'shilgan

    Ikki vosita orasidagi interfeysda tekis to'lqinning tushishi, to'lqin empedanslari va maydon komponentlarining nisbati. Metall tolada qutblangan to'lqinlarning tarqalishi, ularning kirib borish chuqurligini hisoblash. Dielektrik yorug'lik moslamasi ichidagi maydonni aniqlash.

    kurs ishi, 06.07.2011 qo'shilgan

Kirish

20-asrning ikkinchi yarmida fizikaning eng ajoyib yutuqlaridan biri bu optik kvant generatori yoki lazerning ajoyib qurilmasini yaratish uchun asos bo'lgan fizik hodisalarning kashf etilishi edi.

Lazer yuqori direktiv nurli nurli monoxromatik kogerent yorug'lik manbai hisoblanadi.

Kvant generatorlari fan va texnikaning turli sohalaridagi eng zamonaviy yutuqlarni o'zida mujassam etgan elektron qurilmalarning maxsus sinfidir.

Gaz lazerlari - bu faol muhit gaz, bir nechta gazlar aralashmasi yoki gazlarning metall bug'lari bilan aralashmasi.

Gaz lazerlari bugungi kunda eng ko'p ishlatiladigan lazer turidir. Har xil turdagi gaz lazerlari orasida har doim deyarli har qanday lazer talablarini qondiradigan lazerni topish mumkin, impulsli rejimda spektrning ko'rinadigan hududida juda yuqori quvvat bundan mustasno.

Materiallarning chiziqli bo'lmagan optik xususiyatlarini o'rganishda ko'plab tajribalar uchun yuqori quvvatlar kerak. Hozirgi vaqtda gaz lazerlarida yuqori quvvatlar olinmagan, chunki ulardagi atomlarning zichligi etarli darajada yuqori emas. Biroq, deyarli barcha boshqa maqsadlar uchun, optik pompalanadigan qattiq holatdagi lazerlardan ham, yarim o'tkazgichli lazerlardan ham ustun bo'lgan o'ziga xos turdagi gaz lazerini topish mumkin.

Gaz lazerlarining katta guruhi gazli razryadli lazerlardan iborat bo'lib, ularda faol muhit kam uchraydigan gaz (bosim 1-10 mm Hg) bo'lib, nasos porlash yoki yoy bo'lishi mumkin bo'lgan elektr razryad orqali amalga oshiriladi. to'g'ridan-to'g'ri oqim yoki yuqori chastotali o'zgaruvchan tok (10 -50 MGts).

Gaz chiqarish lazerlarining bir necha turlari mavjud. Ion lazerlarida nurlanish ion energiya darajalari orasidagi elektron o'tishlari natijasida hosil bo'ladi. Misol tariqasida to'g'ridan-to'g'ri oqim yoyi zaryadini ishlatadigan argon lazeridir.

Atom o'tish lazerlari atom energiyasi darajalari orasidagi elektron o'tishlari natijasida hosil bo'ladi. Ushbu lazerlar to'lqin uzunligi 0,4-100 mkm bo'lgan nurlanish hosil qiladi. Misol tariqasida, taxminan 1 mm Hg bosim ostida geliy va neon aralashmasi ustida ishlaydigan geliy-neon lazeridir. Art. Nasos uchun taxminan 1000 V doimiy kuchlanish bilan yaratilgan porlash razryad ishlatiladi.

Gazni chiqaradigan lazerlarga molekulyar lazerlar ham kiradi, ularda nurlanish molekulalarning energiya darajalari orasidagi elektron o'tishlaridan kelib chiqadi. Ushbu lazerlar 0,2 dan 50 mikrongacha bo'lgan to'lqin uzunliklariga mos keladigan keng chastota diapazoniga ega.

Eng keng tarqalgan molekulyar lazer - bu karbonat angidrid (CO 2 lazer). U 10 kVtgacha quvvat ishlab chiqarishi mumkin va 40% ga yaqin yuqori samaradorlikka ega. Azot, geliy va boshqa gazlarning aralashmalari odatda asosiy karbonat angidridga qo'shiladi. Nasos uchun to'g'ridan-to'g'ri oqim yoki yuqori chastotali porlashdan foydalaniladi. Karbonat angidrid lazeri to'lqin uzunligi taxminan 10 mikron bo'lgan radiatsiya hosil qiladi.

Kvant generatorlarining dizayni ularning ishlash xususiyatlarini aniqlaydigan turli xil jarayonlar tufayli juda ko'p mehnat talab qiladi, ammo shunga qaramay, karbonat angidrid gazi lazerlari ko'plab sohalarda qo'llaniladi.

CO 2 lazerlari asosida lazerli yo'l-yo'riq tizimlari, joylashuvga asoslangan atrof-muhit monitoringi tizimlari (lidarlar), lazerli payvandlash, metallar va dielektrik materiallarni kesish uchun texnologik qurilmalar, shisha yuzalarni chizish va po'latdan yasalgan buyumlarning sirtini mustahkamlash uchun qurilmalar ishlab chiqilgan va muvaffaqiyatli amalga oshirilmoqda. operatsiya qilingan. CO2 lazerlari kosmik aloqa tizimlarida ham keng qo'llaniladi.

"Optoelektron kvant qurilmalari va qurilmalari" fanining asosiy maqsadi optik aloqa tizimlarida qo'llaniladigan eng muhim asboblar va qurilmalarning fizik asoslari, dizayni, ishlash printsiplari, xususiyatlari va parametrlarini o'rganishdir. Bularga kvant generatorlari va kuchaytirgichlari, optik modulyatorlar, fotodetektorlar, chiziqli bo'lmagan optik elementlar va qurilmalar, golografik va integral optik komponentlar kiradi. Bu ushbu kurs loyihasi mavzusining dolzarbligini anglatadi.

Ushbu kurs loyihasining maqsadi gaz lazerlarini tavsiflash va geliy-neon lazerini hisoblashdir.

Maqsadga muvofiq quyidagi vazifalar hal etiladi:

Kvant generatorining ishlash printsipini o'rganish;

CO 2 lazerining dizayni va ishlash printsipini o'rganish;

Lazerlar bilan ishlashda xavfsizlik hujjatlarini o'rganish;

CO 2 lazerini hisoblash.

1 Kvant generatorining ishlash printsipi

Kvant generatorlarining ishlash printsipi majburiy (induktsiyalangan) nurlanish ta'siridan foydalangan holda elektromagnit to'lqinlarni kuchaytirishga asoslangan. Kuchaytirish tashqi nurlanish bilan qo'zg'atilgan atomlar, molekulalar va ionlarning ma'lum bir qo'zg'aluvchan yuqori energiya darajasidan pastki darajaga (quyida joylashgan) o'tishlari paytida ichki energiyaning chiqishi bilan ta'minlanadi. Bu majburiy o'tishlarga fotonlar sabab bo'ladi. Foton energiyasini quyidagi formula bo'yicha hisoblash mumkin:

hn = E 2 - E 1,

bu erda E2 va E1 - yuqori va pastki darajalarning energiyalari;

h = 6,626∙10-34 J∙s - Plank doimiysi;

n = c/l - nurlanish chastotasi, c - yorug'lik tezligi, l - to'lqin uzunligi.

Qo'zg'alish yoki, odatda, nasos, to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasi manbasidan yoki optik nurlanish oqimi, kimyoviy reaktsiya yoki boshqa bir qator energiya manbalari tufayli amalga oshiriladi.

Termodinamik muvozanat sharoitida zarrachalarning energiya taqsimoti tananing harorati bilan yagona aniqlanadi va Boltsman qonuni bilan tavsiflanadi, unga ko'ra energiya darajasi qanchalik yuqori bo'lsa, ma'lum bir holatda zarrachalarning konsentratsiyasi shunchalik past bo'ladi, boshqacha aytganda , uning aholisi shunchalik kam.

Termodinamik muvozanatni buzadigan nasos ta'siri ostida, yuqori darajadagi aholi pastki qatlam populyatsiyasidan oshib ketganda, teskari vaziyat yuzaga kelishi mumkin. Populyatsiya inversiyasi deb ataladigan holat yuzaga keladi. Bunday holda, rag'batlantirilgan nurlanish sodir bo'lgan yuqori energiya darajasidan pastki darajaga majburiy o'tishlar soni dastlabki nurlanishning yutilishi bilan birga keladigan teskari o'tishlar sonidan oshadi. Induktsiyalangan nurlanishning tarqalish yo'nalishi, fazasi va qutblanishi ta'sir qiluvchi nurlanishning yo'nalishi, fazasi va qutblanishiga to'g'ri kelganligi sababli, uning kuchayish effekti yuzaga keladi.

Induktsiyalangan o'tishlar tufayli nurlanish kuchayishi mumkin bo'lgan muhit faol muhit deb ataladi. Uning kuchaytiruvchi xususiyatlarini tavsiflovchi asosiy parametr koeffitsient yoki kuchaytirish ko'rsatkichi kn - o'zaro ta'sir maydonining birlik uzunligi uchun n chastotada nurlanish oqimining o'zgarishini aniqlaydigan parametr.

Kuchaytirilgan signalning bir qismi faol muhitga qaytib, yana kuchaytirilganda, radiofizikada ma'lum bo'lgan ijobiy teskari aloqa printsipini qo'llash orqali faol muhitning kuchaytiruvchi xususiyatlarini sezilarli darajada oshirish mumkin. Agar bu holda daromad barcha yo'qotishlardan, shu jumladan foydali signal (foydali yo'qotishlar) sifatida ishlatiladiganlardan oshsa, o'z-o'zini yaratish rejimi paydo bo'ladi.

O'z-o'zini avlod o'z-o'zidan o'tishning paydo bo'lishi bilan boshlanadi va daromad va yo'qotish o'rtasidagi muvozanat bilan belgilanadigan ma'lum bir statsionar darajaga qadar rivojlanadi.

Kvant elektronikasida ma'lum to'lqin uzunligida ijobiy fikr bildirish uchun asosan ochiq rezonatorlar qo'llaniladi - ikkita ko'zgu tizimi, ulardan biri (kar) butunlay shaffof bo'lishi mumkin, ikkinchisi (chiqish) shaffof bo'lishi mumkin.

Lazer ishlab chiqarish hududi elektromagnit to'lqinlarning optik diapazoniga mos keladi, shuning uchun lazer rezonatorlari optik rezonatorlar deb ham ataladi.

Yuqoridagi elementlarga ega lazerning tipik funksional diagrammasi 1-rasmda keltirilgan.

Gaz lazerini loyihalashning majburiy elementi qobiq (gaz chiqarish trubkasi) bo'lishi kerak, uning hajmida ma'lum bir bosimda ma'lum tarkibdagi gaz mavjud. Qobiqning so'nggi tomonlari lazer nurlanishiga shaffof materialdan yasalgan derazalar bilan qoplangan. Qurilmaning ushbu funktsional qismi faol element deb ataladi. Ularning sirtidan aks ettirish natijasida yo'qotishlarni kamaytirish uchun derazalar Brewster burchagiga o'rnatiladi. Bunday qurilmalarda lazer nurlanishi har doim polarizatsiyalangan.

Faol elementdan tashqarida o'rnatilgan rezonator nometall bilan birgalikda faol element emitent deb ataladi. Variant rezonator nometalllari to'g'ridan-to'g'ri faol elementning qobig'ining uchlariga o'rnatilganda, bir vaqtning o'zida gaz hajmini (ichki nometallli lazer) muhrlash uchun oynalar funktsiyasini bajarganda mumkin.

Faol muhitning kuchayishining chastotaga bog'liqligi (o'sish davri) ishchi kvant o'tishning spektral chizig'ining shakli bilan aniqlanadi. Lazer hosil bo'lishi faqat ko'zgular orasidagi bo'shliqda yarim to'lqinlarning butun soniga to'g'ri keladigan ushbu sxemadagi chastotalarda sodir bo'ladi. Bunday holda, rezonatorda oldinga va orqaga to'lqinlarning aralashuvi natijasida ko'zgularda energiya tugunlari bo'lgan doimiy to'lqinlar hosil bo'ladi.

Rezonatorda turgan to'lqinlarning elektromagnit maydonining tuzilishi juda xilma-xil bo'lishi mumkin. Uning o'ziga xos konfiguratsiyasi odatda rejimlar deb ataladi. Har xil chastotali, lekin ko'ndalang yo'nalishda bir xil maydon taqsimotiga ega bo'lgan tebranishlar uzunlamasına (yoki eksenel) rejimlar deb ataladi. Ular rezonatorning o'qi bo'ylab qat'iy ravishda tarqaladigan to'lqinlar bilan bog'liq. Ko'ndalang (yoki eksenel bo'lmagan) rejimlarda mos ravishda ko'ndalang yo'nalishda maydon taqsimotida bir-biridan farq qiluvchi tebranishlar. Ular o'qga turli xil kichik burchaklarda tarqaladigan va mos ravishda to'lqin vektorining ko'ndalang komponentiga ega bo'lgan to'lqinlar bilan bog'liq. Turli xil rejimlarni belgilash uchun quyidagi qisqartma ishlatiladi: TEMmn. Ushbu belgida m va n ko'ndalang yo'nalishdagi turli koordinatalar bo'ylab ko'zgularda maydon o'zgarishining davriyligini ko'rsatadigan indekslardir. Agar lazer bilan ishlash jarayonida faqat asosiy (eng past) rejim hosil bo'lsa, biz bitta rejimli ish rejimi haqida gapiramiz. Bir nechta transvers rejimlar mavjud bo'lganda, rejim multimod deb ataladi. Yagona rejimda ishlaganda, turli xil sonli uzunlamasına rejimlar bilan bir nechta chastotalarda ishlab chiqarish mumkin. Agar lasing faqat bitta uzunlamasına rejimda sodir bo'lsa, biz bitta chastotali rejim haqida gapiramiz.

1-rasm - Gaz lazer diagrammasi.

Rasmda quyidagi belgilar qo'llaniladi:

  1. Optik rezonator nometall;
  2. Optik rezonatorli oynalar;
  3. elektrodlar;
  4. Gaz chiqarish trubkasi.

2 CO 2 lazerining dizayni va ishlash printsipi

CO 2 lazer qurilmasi sxematik tarzda 2-rasmda ko'rsatilgan.


2-rasm - CO2 lazerining printsipi.

CO 2 lazerlarining eng keng tarqalgan turlaridan biri gaz dinamik lazerlaridir. Ularda lazer nurlanishi uchun zarur bo'lgan teskari populyatsiyaga gazning 20-30 atm bosimida 1500 K ga oldindan qizdirilishi tufayli erishiladi. , ish kamerasiga kiradi, u erda kengayadi va uning harorati va bosimi keskin pasayadi. Bunday lazerlar 100 kVtgacha quvvatga ega bo'lgan uzluksiz nurlanishni ishlab chiqarishi mumkin.

CO 2 lazerlarining faol muhitini (ular aytganidek, "nasoslash") yaratish uchun to'g'ridan-to'g'ri oqim porlashi ko'pincha ishlatiladi. So'nggi paytlarda yuqori chastotali deşarj tobora ko'proq foydalanilmoqda. Lekin bu alohida mavzu. Yuqori chastotali zaryadsizlanish va bizning davrimizda topilgan eng muhim ilovalar (nafaqat lazer texnologiyasida) alohida maqola mavzusidir. Elektr deşarjli CO 2 lazerlarining ishlashning umumiy tamoyillari, bu holda yuzaga keladigan muammolar va to'g'ridan-to'g'ri oqimdan foydalanishga asoslangan ba'zi dizaynlar haqida.

70-yillarning boshida, yuqori quvvatli CO 2 lazerlarini ishlab chiqish jarayonida, zaryadsizlanish lazerlar uchun halokatli bo'lgan hozirgacha noma'lum xususiyatlar va beqarorlik bilan tavsiflanganligi aniq bo'ldi. Ular yuqori bosimda katta hajmni plazma bilan to'ldirishga urinishlar uchun deyarli engib bo'lmaydigan to'siqlarni keltirib chiqaradi, bu esa yuqori lazer quvvatlarini olish uchun zarur bo'lgan narsadir. Ehtimol, so'nggi o'n yilliklarda amaliy xarakterdagi muammolarning hech biri gazlarda elektr zaryadsizlanishi fanining rivojlanishiga yuqori quvvatli doimiy to'lqinli CO 2 lazerlarini yaratish muammosi kabi xizmat qilmagan.

Keling, CO 2 lazerining ishlash printsipini ko'rib chiqaylik.

Deyarli har qanday lazerning faol muhiti ma'lum bir juft darajadagi ma'lum molekulalarda yoki atomlarda teskari populyatsiya yaratilishi mumkin bo'lgan moddadir. Bu shuni anglatadiki, radiatsiya lazerining o'tishiga mos keladigan yuqori kvant holatidagi molekulalar soni pastki qismidagi molekulalar sonidan oshadi. Odatiy holatdan farqli o'laroq, bunday muhitdan o'tadigan yorug'lik nuri so'rilmaydi, balki kuchayadi, bu radiatsiya hosil qilish imkoniyatini ochadi.

Bilasizmi, Fikrlash tajribasi, gedanken tajribasi nima?
Bu mavjud bo'lmagan amaliyot, boshqa dunyo tajribasi, aslida mavjud bo'lmagan narsaning tasavvuridir. Fikrlash tajribalari uyg'ongan tushlarga o'xshaydi. Ular yirtqich hayvonlarni tug'adilar. Gipotezalarning eksperimental sinovi bo'lgan fizik eksperimentdan farqli o'laroq, "fikr tajribasi" sehrli tarzda eksperimental testni amalda sinab ko'rilmagan kerakli xulosalar bilan almashtiradi, isbotlanmagan binolarni isbotlangan deb ishlatib, mantiqning o'zini buzadigan mantiqiy tuzilmalarni manipulyatsiya qiladi. almashtirish orqali. Shunday qilib, "fikr tajribalari" da'vogarlarining asosiy vazifasi haqiqiy jismoniy eksperimentni "qo'g'irchoq" bilan almashtirish orqali tinglovchini yoki o'quvchini aldashdir - jismoniy tekshiruvdan o'tmasdan shartli ravishda soxta fikr yuritish.
Fizikani xayoliy, "fikr tajribalari" bilan to'ldirish dunyoning bema'ni, syurreal, chalkash tasvirining paydo bo'lishiga olib keldi. Haqiqiy tadqiqotchi bunday "konfetli qog'ozlar" ni haqiqiy qadriyatlardan farqlashi kerak.

Relyativistlar va pozitivistlarning ta'kidlashicha, "fikr tajribalari" nazariyalarni (shuningdek, ongimizda paydo bo'lgan) izchillik uchun sinab ko'rish uchun juda foydali vositadir. Bunda ular odamlarni aldashadi, chunki har qanday tekshirish faqat tekshirish ob'ektidan mustaqil manba tomonidan amalga oshirilishi mumkin. Gipoteza arizachisining o'zi o'z bayonotining sinovi bo'la olmaydi, chunki bu bayonotning sababi arizachiga ko'rinadigan bayonotda qarama-qarshiliklarning yo'qligi.

Buni ilm-fan va jamoatchilik fikrini nazorat qiluvchi o‘ziga xos dinga aylangan SRT va GTR misolida ko‘ramiz. Ularga qarama-qarshi bo'lgan ko'p faktlar Eynshteynning formulasini yengib chiqa olmaydi: "Agar fakt nazariyaga to'g'ri kelmasa, faktni o'zgartiring" (Boshqa versiyada "Fakt nazariyaga mos kelmaydimi? - Fakt uchun bundan ham yomoni. ”).

"Fikr tajribasi" da'vo qilishi mumkin bo'lgan maksimal narsa bu gipotezaning arizachining o'ziga xosligi doirasidagi ichki izchilligi, ko'pincha hech qanday to'g'ri emas, mantiq. Bu amaliyotga muvofiqligini tekshirmaydi. Haqiqiy tekshirish faqat haqiqiy jismoniy tajribada amalga oshirilishi mumkin.

Tajriba - bu tajriba, chunki u fikrni takomillashtirish emas, balki fikrni sinovdan o'tkazishdir. O'ziga mos keladigan fikr o'zini tasdiqlay olmaydi. Bu Kurt Gödel tomonidan isbotlangan.