3. Методы накачки лазеров.
Методы накачки: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, электронная накачка [3]. В технике оптических систем связи в основном используются полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником накачки приборов в этом случае является источник электрического тока. Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми и оптическими характеристиками.
Оптическая накачка некоторой лазерной среды – это ее освещение внешним источником света с целью перевода ее в возбужденное электронное состояние. всей среды или ее составляющих. Для лазеров или лазерных усилителей цель состоит в том, чтобы достигнуть инверсной населенности в активной среде и, таким образом, получить оптическое усиление посредством индуцированного излучения для некоторой области оптических частот. Этот диапазон называют полосой усиления.
Полупроводниковые
лазеры – это лазеры с усиливающей
средой на основе полупроводников, где
генерация происходит, как правило, за
счет вынужденного излучения фотонов
при межзонных переходах электронов в
условиях в
ысокой
концентрации носителей в зоне
проводимости. Формально, полупроводниковые
лазеры также являютсятвердотельными
лазерами.
Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (для обычных случаев межзонных переходов) показан на рисунке.
Conduction band - зона проводимости, valence band - валентная зона, pumping - накачка, light emission - излучение света.
Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро релаксируют в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Количественное описание основывается на распределении Ферми-Дирака для электронов в обеих зонах.
4. Типы оптических квантовых генераторов.
Слово «лазер» (LASER) — аббревиатура английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, которое переводится как «усиление света вынужденным излучением». В качестве средств возбуждения для инверсии состояния используют свет, электрический разряд, инжекционные токи, химические реакции и др.
Обратная связь в лазерах бывает двух типов: дискретная и распределенная. В первом случае она осуществляется оптическим резонатором, составленным из зеркал или призм и находящимся вне лазерной среды, а во втором случае – за счет отражения, возникающего в лазерной среде при изменении ее показателя преломления (по направлению распространения света) с периодом, удовлетворяющим условиям Брэгга.
В качестве достоинств лазерного излучения отмечают следующие: высокую монохроматичность; высокий уровень выходной мощности; хорошую синфазность и высокую когерентность; малую расходимость (при одномодовом колебании расширение луча происходит только за счет дифракции).
Лазерная среда может быть твердой, жидкой и газообразной. В лазерах с возможностью выбора длины волны это могут быть такие газы, как аргон, гелий-неоновая смесь, углекислый газ, или жидкости, например родамин 6Ж. В твердотельных лазерах рабочее тело – рубин, иттриево-алюминиевый гранат (YAG).
Лазеры классифицируют по длине волны излучения: рентгеновские, ультрафиолетовые, видимого диапазона, ближнего и дальнего инфракрасного излучения. Среди инфракрасных лазеров самые мощные газодинамические.
-Твердотельный лазер - это лазер, активная среда которого представляет собою кристалл. Наиболее известны рубиновые твердотельные лазеры. В них активной средой является кристалл корунда Al2O3 c добавкой Cr2O3. Цвет кристалла изменяется от почти бесцветного к красному и затем к зеленому в зависимости от концентрации Cr2O3. Для генерации обычно используют розовые рубины с весовой концентрацией Cr2O3 порядка 0.005 %, что соответствует абсолютной концентрации хрома . Кроме рубина в качестве активной среды используют гранат, CaWO4, Y3Al5O12, и многие другие. Главный способ накачки – оптический.
-Газовый лазер. В газовом лазере активная среда представляет собой газ или смесь газов. Это был лазер на смеси He-Ne. Позже были созданы CO2, ICN, NeO2, CH3I лазеры, а также множество других. Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены том, что они в подавляющем большинстве случаев являются источниками излучения, использующими атомные или молекулярные спектры излучения. Длины волн переходов точно известны и практически не зависят от окружающей среды. Кроме того, в газовых смесях можно многообразными способами создавать инверсную населенность. Эти механизмы возбуждения позволяют реализовать генерацию при малых значениях мощности накачек.
-Полупроводниковый лазер.Это, пожалуй, самый простой лазер, представляющий собой соединение полупроводников с разными типами проводимости. При прохождении через p-n переход тока будет наблюдаться рекомбинация электронов и дырок, что приведет к излучению электромагнитных волн. На этом принципе и устроены полупроводниковые лазеры. Параметрами излучения полупроводниковых лазеров можно управлять в весьма широких пределах. Причем мощность излучения весьма значительна при миниатюрных размерах. Например мощность излучения лазера на основе арсенида галлия составляет около десяти ватт, что весьма существенно, если учесть, что эта мощность снимается и излучающего слоя толщиной всего 0.002 миллиметра и длиной 1 миллиметр. Полупроводниковые лазеры делаются обычно на основе арсенида галлия GaAs или кристалла Ga1-xAlxAs . Их крошечные размеры позволяют использовать их в электронных устройствах и переносных установках. Для повышения мощности полупроводниковых лазеров применяют накачку мощной импульсной лампой или электронным лучом. Накачивающее излучение проникает в переходную зону и создает в ней значительную инверсию населенностей уровней энергии.
-Жидкостный лазер. Плотность жидкости всего в два-три раза ниже плотности твердых тел, поэтому количество атомов единице объема имеет тот же порядок, что и в твердотельных лазерах. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы.
Уникальными свойствами обладают лазеры на красителях. Их рабочая жидкость - раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Энергия молекулы красителя накачивается оптически с помощью рубинового или газового лазера. Лазеры на красителях обладают одной особенностью: в молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться монохроматичности, на пути луча ставится светофильтр, представляющий собой оптическую систему, пропускающую излучение строго определенной длины волны. Параметрами фильтра можно управлять. В результате получается перестраиваемый лазер, то есть лазер, у которого можно легко изменять частоту генерируемого излучения. Для перестройки частоты в широких пределах можно менять раствор красителя, получая лазер, генерирующий свет на всем диапазоне волн от ультрафиолета до инфракрасного излучения.
,