Раздел 2. Когерентная электроника. Лазеры.

2.1. Когерентное излучение.

Предположим для упрощения, что оптическое излуче­ние отдельного атома есть плоская монохроматическая волна. Распространение такой волны во времени и про­странстве описывается известным из физической оптики уравнением

Е(х, t)=E_m cos[2nνt—2(πνn/c_o)x+ φ_o], (1)

где Е—напряженность электрического поля волны; Е_m— амплитуда напряженности электрического поля; ν — часто­та колебаний; t — время; п — показатель преломления сре­ды; с_o — скорость света в вакууме; х — координата в на­правлении распространения излучения; — φ_o начальная фаза колебаний.

Реальное оптическое излучение физического тела пред­ставляет собой суперпозицию (наложение) электромагнит­ных волн, излучаемых большим числом возбужденных ато­мов. Если каждый атом излучает независимо от остальных так, что значения параметров ν, φ_o, а также направления поляризации различны для всех излучающих атомов, то имеет место некогерентное излучение. Оно является хаоти­ческим, многочастотным и характеризуется только интен­сивностью (амплитудой), не имеет строгой направленности.

Если же колебания всех излучающих атомов протека­ют согласованно во времени, т. е. значения параметров ν , φ_o и направления поляризации для всех атомов одинако­вы, то весь результирующий поток излучения также описы­вается уравнением (1). При этом имеет место когерентное излучение.

В современной оптоэлектронике источниками когерент­ного излучения являются только лазеры. Лазерное излучение имеет высокую направленность, строго фиксированную частоту колебаний, высокую монохроматичность.

Уже сейчас можно говорить о большом будущем когерентной оптоэлектроники. Специалисты утверждают, например, что недалеко то время, когда в основном будут использоваться лишь два вида связи: ра­диосвязь, если хотя бы один из корреспондентов движется, и когерентная волоконно-оптическая связь практически во всех остальных случаях.

Интенсивно развивается ряд направлений по использо­ванию когерентной оптоэлектроники в системах обработки информации. Наибольшие надежды в этой области связы­ваются с оптической (в основном голографической) па­мятью и устройствами интегральной оптики. Первое из этих направлений привлекательно тем, что в нем в мак­симальной степени используются такие отличительные осо­бенности когерентной оптоэлектроники, как высокая на­правленность излучения и возможность пространственной модуляции. Второе направление характеризуется прежде всего распространением принципа технологической инте­грации на элементы когерентной оптоэлектроники.

Когерентность оптического сигнала — главная отличи­тельная особенность всех устройств когерентной оптоэлек­троники и прежде всего источников когерентного излуче­ния—лазеров.

Лазерное усиление. Лазер-генератор излучения, когерентного во времени и в пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс возник­новения вынужденного излучения очень упрощенно состоит в следующем.

При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое со­стояние; этот переход происходит с испусканием еще одно­го фотона, энергия которого будет равна энергии вынуж­дающего фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту систему излучение, то воз­можно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Рис.1. Квантовые переходы в лазерном веществе

Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (так называемой накачки) Е_н часть электронов с нижних равновесных уровней Е₁ переходит на более вы­сокие уровни, а затем оказывается на уровне возбуждения Е₂ (рис.1 ). Возвращение этих электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ сопровождается испусканием фотонов с дли­ной волны

(2 )

Процесс перехода электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ может протекать по-разному. Возможен спонтанный пе­реход, при котором момент, испускания и направление век­тора поляризации каждого фотона случайны, а результи­рующий поток излучения описывается лишь среднестати­стическими параметрами (переходы /, 2, 3 на рис.1). Та­кой процесс перехода излучающих атомов из возбужден­ного состояния в равновесное не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентно­го излучения.

Одновременно со спонтанными переходами имеется ве­роятность вынужденных переходов из энергетического со­стояния Е₂ в энергетическое состояние Е₁ (переходы 4, 5 на рис.1). Такие переходы связаны с действием вынуж­дающих фотонов. При этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязанно и так, что испускае­мые фотоны неотличимы от тех, которые их вызвали. Это когерентное излучение называется вынужденным.

Вынужденное излучение—это когерентное элек­тромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением).

Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения.

Количество лазерных переходов за время Δt можно в первом приближении выразить в виде

п_лаз=В₂₁Q_вынN₂ Δt (3)

где n_лаз — вероятность лазерного перехода; Q _вын — энергия вынуждающего излучения; N₂—концентрация атомов в энергетическом состоянии E₂

Количество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде

n_спон=A₂₁ N₂ Δt (4)

где A₂₁ — вероятность спонтанного перехода E₂ – E₁.

Количество квантовых переходов, приводящих к погло­щению вынуждающего излучения, определяется выраже­нием

n_погл= В₁₂Q_вынN₁ Δt (5)

где B₁₂—вероятность квантового перехода с поглощением излучения.

Полагая в первом приближении равенство вероятно­стей B₂₁=B₁₂=B, получим условие лазерного усиления в виде

ВQ_вын (N₂- N₁)-A₂₁ N₂>0. (6)

При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления имеет вид

ВQ_вын (N₂- N₁) >0. или (N₂- N₁) >0 (7)

В равновесном состоянии системы всегда N₂<N₁ и ла­зерное усиление возможно только в результате предвари­тельных внешних воздействий (накачки), таких, как инжекция носителей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.

Лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе больше приобретает энергии за счет лазерных переходов, чем отдает из-за поглощения.

Эффективность лазерного усиления, очевидно, зависит от вероятности лазерного перехода В₂₁ и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов в полупроводниках и большая плотность энерге­тических состояний в зонах позволяет получить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление.

В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с при­месями) и в газовых лазерах используются переходы в изо­лированных ионах, атомах или молекулах между дискрет­ными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в по­лупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.

Населенность и инверсия населенности.

Для ко­личественной оценки лазерного усиления вводят понятие «населенности» уровня энергии, под которой понимают чис­ло атомов в единице объема, имеющих одинаковое энерге­тическое состояние. В условиях термодинамического равно­весия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана:

N₂/N₁=exp[-(Е₂ – Е₁)/kT], (8)

где N₂- населенность возбужденными атомами (в состоя­нии Е₂);

N₁ - населенность невозбужденными атомами (в состоянии Е₁).

При этом величина

ΔN = N₂ – N₁ (9)

отрицательна и в веществе имеем нормальную населен­ность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещест­во находится в равновесном состоянии. Лазерное усиление невозможно.

Когда ΔN >0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей и проходя­щее излучение может усиливаться за счет энергии возбуж­денных атомов.

Формально из выражения (9) следует, что условие ΔN >0 выполняется при абсолютной отрицательной темпе­ратуре (T<0). Поэтому состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температу­рой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенно­стей, называется активной средой.

Усиление вынужденного излучения или лазерное усиление требует, во-первых, инверсии населен­ностей (N₂>N₁) и, во-вторых, подавления спонтанного из­лучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, на­зывается порогом инверсии.

Генерация излучения.

Для того чтобы рассмо­тренный лазерный усилитель превратить в лазер—генера­тор излучения, необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передается с вы­хода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи.

В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются полупрозрачными. В общем случае опти­ческий резонатор — это система отражающих, прелом­ляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться вол­ны оптического диапазона.

Рис.2. Образование фотонной лавины в оптическом резонаторе:

I-активная среда; 2 — зеркала оптического резонатора

Лавинообразный процесс воз­никновения лазерного излучения («фотонной лавины») в оптическом резонаторе изображен на рис.2. «Фотонная лавина» подобна селевому потоку: сначала достаточ­но продолжительная «накачка» за счет таяния снегов, затем быстрый сброс накопленной воды; без «обратной связи» поток невелик.

Таким образом, выполнение условий усиления лазерно­го излучения при наличии ПОС через оптический резона­тор дает необходимые энергетические предпосылки для са­могенерации излучения.

Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активной среды, называется накачкой лазера. Значение энергии на­качки много больше энергии лазерного излучения (КПД лазера несколько процентов), т. е. лазер—не экономичный генератор. Но по своим качественным показателям (коге­рентность, концентрация во времени и в пространстве) энергия лазера уникальна.

Таким образом, лазер—генератор электромагнитного излучения оптического диапазона—должен содержать: во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера; во-вто­рых—лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.

В зависимости от вида подводимой энергии накачки различают следующие виды накачки лазера:

1) оптическая накачка—возбуждение лазера оптиче­ским излучением; она может быть ламповой—источник накачки лампа, диодной—источник накачки СИД; лазер­ной —лазер и т. д.;

2) электрическая накачка—накачка лазера электриче­ской энергией (в частности, к этому виду накачки относит­ся накачка инжекционных лазеров);

3) электронная накачка—накачка лазера электрон­ным пучком;

4) химическая накачка—накачка, вызываемая химиче­скими реакциями в лазерном веществе.

Порог генерирования лазера.

Лазерный пучок— это не просто поток энергии, как, например, пучок света. Это поток энергии очень высокого качества, поток исклю­чительно упорядоченного когерентного излучения, остро направленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Но за это качество мы платим высокую це­ну—КПД лазеров составляет несколько процентов, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить десятки джоулей энергии накачки. Но при этом плотность энергии лазерного излучения огромна: она, в частности больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве (порядка 10¹⁰ Дж/см3).

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора х (рис.2) хорошо описывается экспонентой с положительным показателем:

E(x) =E_oexp[(K_L-K_Q)x] (10)

где Е(х)—энергия излучения вдоль оси х;

Е_о—энергия излучения при х=0;

К_L—линейный коэффициент лазерно­го усиления (вдоль оси х), значение которого пропорционально энергии накачки Е_H;

K_Q—коэффициент потерь из­лучения в оптическом резонаторе и активной среде.

При некотором значении энергии накачки Е_H(K_L), которое называется порогом генерирования лазера, К_L>К_Q, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излу­чения, т. е. генерацию. Порог генерирова­ния лазера - это энергия Е_H или мощность Р_n, поступаю­щая на вход источника питания лазера, при которой коэф­фициент лазерного усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте.

Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и рас­пределением электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод; для получения одночастотного (одномодового) режима используют пере­страиваемые оптические фильтры мод.