книги из ГПНТБ / Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие

тельно, применение окон Брюстера позволяет не только уменьшить потери и облегчить генерацию, но и получить поляризованное излучение. Допуск на установку окон под углом Брюстера достаточно велик (порядка 3°) и легко вы­ держивается при изготовлении трубок.

Зеркала, образующие резонатор, можно и не,выносить за пределы газоразрядной трубки, однако внешнее расположе­

гелий-неонового ОКГ. Рабочим веществом ОКБ является

гелий служит лишь для передачи энергии возбуждения от источника накачки атомам неона. Упрощенная схема рас­ положения нижних энергетических уровней гелия и неона для наиболее широко используемого режима генерации (длина волны Я-=0,63 мкм) приведена на рис. 69. Накачка осуществ­ ляется с помощью газового разряда путем передачи возбуж­ дения электронным ударом и неупругих столкновений ато­ мов. В последнем случае возбуждение передается от одних атомов к другим, если энергетические интервалы между воз­ бужденными и невозбужденными состояниями обоих атомов близки друг к другу, возникает так называемая р е з о н а н с ­ н а я п е р е д а ч а э н е р г и и . Такой обмен энергиями пред­ ставляет особый интерес, если он происходит между метастабильным состоянием одного атома и основным состоянием дру­ гого. В гелий-неоновом ОКБ в плазме газового разряда путем столкновений с электронами возбуждаются атомы гелия, со­ вершая переход У->5; уровень энергии 5 является метастабильным. Возбужденный уровень 4 атома неона по энергии

140

очень близок к уровню 5 атома гелия. В результате неупру­ гих столкновений возбужденный атом гелия передает свою энергию невозбужденному атому неона, а сам переходит в основное состояние У; при этом атом неона переходит в воз­ бужденное состояние 4. Незначительная разница в энергиях возбуждения переходит в кинетическую энергию сталкиваю-, щихся атомов. Рабочим является переход 4-+-3. Для получе­ ния инверсной населенности необходимо, чтобы время жиз­ ни на уровне 4 было больше, чем на уровне 3. В данном слу­ чае это условие выполняется: время жизни на верхнем уров­ не составляет 10- 7 с, а на нижнем— 10~ 8 с. Для того чтобы предотвратить обратную передачу энергии — от атомов неона к гелию, выбирают концентрацию гелия в 5—15 раз больше, чем неона.

Следует отметить, что в разряде помимо прямых пере­ ходов возможны и ступенчатые. Так, если для неона прямые переходы 1-*-3 и У-н? можно не учитывать, то со ступенча­ тыми переходами следует считаться. При больших токах раз­ ряда происходит ступенчатое заселение уровней 2 и 3 путем электронных столкновений. Это снижает разность населен­ ностей уровней 4 и 3. Для устранения этого нежелательного

к стенкам,' приводящая, к переходу атомов неона из метастабильного состояния 2 в основное.

В действительности верхние энергетические уровни 4 и 3 неона представляют собой целые полосы из большого числа близко расположенных уровней. Поэтому спектр гелийнеонового ОКГ может содержать до 30—40 спектральных ли­ ний. Гелий-неоновые ОКГ позволяют получить высокую на­ правленность излучения (до 1 ч-2') и чрезвычайно высокую относительную стабильность частоты (до 10~14). Выходная мощность на разных длинах волн достигает 0,1ч-1,0 Вт в не­ прерывном режиме, КПД порядка 0,1 %.

Ионные ОКГ используют в качестве рабочих веществ сильно ионизированные чистые инертные газы: ксенон Хе, криптон Кг, аргон Аг, неон Ne. Поэтому инверсия создается только путем электронного возбуждения. Наибольшее рас­ пространение получил аргоновый ОКГ, работающий в види­ мой области спектра на волнах порядка 0,45ч-0,51 мкм. Ион­ ные ОКГ имеют расходимость луча и КПД того же порядка, что и гелий-неоновые, н о . значительно большую выходную мощность (до 100 Вт) в непрерывном режиме.

Основным недостатком атомарных и ионных ОКГ явля­ ется низкий КПД, так как из-за высокого расположения верх­

141

них рабочих уровней у них мала эффективность электронной накачки. Верхние уровни могут возбуждаться лишь быст­ рыми электронами, а число их в разряде невелико. В этом отношении молекулярные ОКТ, имеющие низко расположен­ ные колебательные и вращательные энергетические уровни, более перспективны. Известны молекулярные ОКГ на угле­

в смеси с азотом N2, генерирующий, на волне 10,6 мкм. Роль молекул азота аналогична роли атомов гелия в гелий-неоно- вом ОКГ: молекулы азота используются для передачи своей колебательной энергии молекулам -С0 2 путем резонансного возбуждения. ОКГ на углекислом газе может генерировать в непрерывном режиме мощность в несколько киловатт при

КПД до 30%.

Газовые ОКГ могут работать не только в непрерывном, но и в импульсном режиме. В частности, молекулярный ОКГ на углекислом газе развивает в импульсном режиме мощность до сотен киловатт в импульсе, не уступая, таким образом, твердотельным генераторам.

§ 18.3. Полупроводниковые оптические квантовые генера­ торы. Полупроводниковыми ОКГ называют квантовые гене­ раторы оптического диапазона, использующие в качестве ра­ бочего вещества полупроводниковые материалы с одним или разными типами проводимости. Полупроводники как рабо­ чее вещество для ОКГ представляют интерес с точки зрения создания генераторов, работающих в широком диапазоне длин волн (от далекой инфракрасной до ультрафиолетовой области), при КПД, близком к 100%. Это связано с особен­ ностями энергетического спектра электронов в полупровод­

никах.

В отличие от твердотельных ОКГ в полупроводниковых главную роль в процессе вынужденного излучения играют

в запрещенной зоне. Возникающее при таких переходах из­ лучение вследствие рекомбинации электронов и дырок и ис­ пользуется в ОКГ. Важной особенностью полупроводниковых ОКГ является также высокая концентрация активных микрочастиц, позволяющая получить высокое усиление на единицу длины и, следовательно, уменьшить длину образца полупроводника до долей миллиметра.

Для создания ОКГ полупроводники, находящиеся в со­ стоянии теплового равновесия, непригодны, поскольку в этом

142

случае вблизи потолка валентной зоны всегда больше элект­ ронов, чем дырок, и, значит, полупроводник способен лишь поглощать, а не излучать электромагнитную энергию. Для того чтобы заставить полупроводник усиливать падающий свет посредством вынужденного излучения, а не поглощать его, необходимо обеспечить такие условия, при которых носи­ тели тока в полупроводнике находятся в неравновесном со­ стоянии: электроны должны заполнить область, примыкаю­ щую к дну зоны проводимости, а дырки — область вблизи по­ толка валентной зоны. При этом вследствие равенства веро­

ны — дырками, называют в ы р о ж д .е^н н ы м. Вырождение мо­ жет быть одновременно й для электронов, и для дырок. Наивыс­ ший уровень энергии WFn,до которого электроны плотно запол-

няют зону проводимости, называют у р о в н е м Ф е р м и для электронов проводимости. Чем больше электронов в зоне про­ водимости, тем выше расположен уровень Ферми и тем боль­ ше вырождение электронов в полупроводнике. Уровень Фер­ ми для дырок WFp расположен в валентной зоне и с увели­

чением числа дырок опускается вниз. Для неравновесных полупроводников употребляют для этих уровней также на­ звание— к в а з и у р о в н и Фе р м и . Подобное расположение уровней Ферми характерно для сильно легированных полу­ проводников, имеющих большую концентрацию примесей.

Особый интерес для создания полупроводниковых ОКГ представляют полупроводники, в которых вырождены одно­ временно электроны и дырки. Энергетическая диаграмма та­ кого полупроводника показана на рис. 70, заштрихованы энергетические состояния, занятые электронами. В этом слу­ чае расстояние между уровнями Ферми для электронов и дырок больше ширины запрещенной зоны AW, т. е.

143

При этом электроны из зоны проводимости могут перейти в валентную зону только на уровни, лежащие в интервале потолок валентной зоны — уровень Ферми (от Wsaл до WFp),

так как остальные уровни заняты. По этой же причине элек­ троны из валентной зоны могут быть заброшены в зону про­ водимости только на уровни, лежащие выше WРп. Следова­

тельно, свет с энергией квантов в диапазоне hv = WFn— WFp не может вызвать переходов из валентной зоны в зону про­ водимости, т. е. не поглощается в полупроводнике. Однако он может способствовать переходу электронов из зоны прово­ димости в валентную зону, т. е. вызвать вынужденную ре­ комбинацию, сопровождающуюся излучением квантов света. При прямых межзонных переходах минимальная энергия из­ лучаемых квантов равна ширине запрещенной зоны

чения инверсной населенности в полупроводнике; при выпол­ нении этого условия населенность (концентрация электронов) нижней части зоны проводимости выше населенности верх­ ней части валентной зоны.

Диапазон генерируемых частот зависит от степени вырож­ дения электронов и дырок, т. е. расположения соответствую­ щих уровней Ферми, и от ширины запрещенной зоны. В свя­ зи с тем, что различные полупроводники имеют ширину за­ прещенной зоны от (1-н2)-103 до (1-РЗ) эВ, полупровод­ никовые ОКГ генерируют излучение в весьма широком диа­

пазоне длин волн.

С повышением температуры электроны и дырки стремят­ ся перейти на более высокие энергетические уровни, плот­ ность заполнения нижних уровней уменьшается, и оба уров­ ня Ферми приближаются к запрещенной зоне. Следователь­ но, обеспечить вырождение электронов и дырок становится труднее. Поэтому в полупроводниковых ОКГ легче всего воз­ будить генерацию при низких температурах.

Рекомбинационное излучение имеет спонтанный харак­ тер; спонтанное излучение вызывает вынужденные переходы, интенсивность которых резко возрастает при помещении вы­

144

рожденного полупроводника между отражающими зерка­ лами. При этом образующиеся фотоны многократно прохо­ дят через рабочее вещество, создавая каждый раз новые ла­ вины фотонов. Естественно, что для выполнения условий самовозбуждения, как и в других типах ОКГ, усиление в сре­ де должно превышать суммарные потери. После возникнове­ ния генерации полоса частот генерируемых квантов будет резко сужаться, поскольку на частоте максимального усиле­ ния рождается больше всего фотонов и при каждом пере­ ходе между зеркалами излучение этой частоты усиливается больше всего. Следовательно, спустя некоторое время излу­ чение станет монохроматическим. Роль зеркал в полупровод­ нике обычно выполняют гладкие грани самого кристалла, на границе раздела которых с воздухом обеспечивается коэффи­ циент отражения порядка 0,3-Е0,4. Такой коэффициент отра­ жения достаточен для возникновения генерации даже при не­ большой длине активной среды, если иметь в виду высокий коэффициент усиления света на единицу длины полупровод­ ника. Поскольку для оптического резонатора необходимы лишь две отражающие поверхности, остальные грани кри­ сталла специально протравливают, чтобы устранить отра­

жение.

Вырожденное состояние полупроводника, обеспечивающее инверсию населенности, можно обеспечить путем какого-либо внешнего воздействия: оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, воздействие сильным электрическим по­

прекращения внешнего воздействия неравновесные носители рекомбинируют, а уровни Ферми W Fn и WFp сближ-аются

друг с другом, сливаясь в единый для электронов и дырок уровень Ферми WF.

Наибольшее распространение в настоящее время полу­ чили инжекционные ОКГ, в которых используется р—«-переход, образованный вырожденными полупроводни­ ками с разным типом проводимости. Инжекционные ОКГ обладают рядом достоинств перед другими типами оптиче­ ских квантовых генераторов: высокий КПД, обусловленный непосредственным преобразованием энергии электрического тока в свет, легкость модуляции излучения изменением тока через р—«-переход, малые габариты, простота конструкции.

На рис. 71, а, б, в представлены энергетические диаграм­ мы для вырожденных полупроводников с /)- и «-проводимо­ стью, р—«-перехода в состоянии равновесия, т. е. при отсут­

ствии внешнего напряжения, и р—«-перехода, смещенного

впрямом направлении. При соединении полупроводников р-

и«-типов на мгновение выполнится условие инверсии (18.1), однако через короткий промежуток времени электроны ча­ стично перейдут из зоны проводимости в валентную и уров­ ни Ферми выравняются; исчезнет одновременное вырожде­ ние электронов и дырок, а значит, и инверсия населенностей. Для поддержания инверсного состояния необходимо, чтобы уровни Ферми в областях п- и д-типов снова разошлись на расстояние, большее ширины запрещенной зоны Л№. С этой

целью к р—«-переходу необходимо приложить внешнее на­ пряжение в прямом направлении, которое будет осуществ­ лять инжекцию электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону. При этом через р—«-переход потечет ток, обязанный движению электроноб и дырок навстречу друг другу. Эти два потока частиц рекомбинируют в д—«-пере­ ходе и излучают свет. Условие инверсии выполняется тем луч­ ше, чем выше электрическое поле в переходе и больше ток через него. Минимальное значение тока, при котором вынуж­ денное излучение превышает потери света в р—«-переходе, называется п о р о г о в ы м т о к о м. При понижении темпера­ туры величина порогового тока уменьшается, поскольку лег­ че становится обеспечить вырождение электронов и дырок. Экспериментально установлено, что плотность порогового

GaAs при комнатной температуре плотность порогового тока доходит до 105 А/см2, а при охлаждении до температуры жидкого гелия она падает до 100 А/см2.

Схематично устройство полупроводникового ОКГ пока­ зано на рис. 72. Здесь 1 — р—«-переход; 2 — излучение; 3 — торцовые поверхности, образующие оптический резонатор;

146

трический контакт с «-областью. Активная область, в кото­ рой создается излучение, расположена в тонком слое мате­ риала полупроводника по обе стороны от р—«-перехода за счет того, что электроны и дырки проскакивают через пере­

ход в «- и р-области.

Малые размеры инжекционных ОКГ и высокая концент­ рация частиц не позволяют получить высокую направлен­ ность и малую ширину линии излучения. Малые размеры

ограничивают также величину мощности излучения. Однако высокий КПД, простота конструкции, наряду с малыми габа­ ритами, возможностью работы при комнатной температуре и другими достоинствами, обеспечивают широкое практическое

применение таких ОКГ.

Современные инжекционные полупроводниковые ОКГ мо­ гут работать как в импульсном, так и в непрерывном ре­ жимах; работа в непрерывном режиме возможна лишь при

охлаждении ОКГ.

В настоящее время генерация получена на фосфиде гал­ лия GaP, антимониде индия и галлия (InSb, GaSb), арсениде этих же элементов (InAs, GaAs), сульфидах и селенидах кадмия и цинка (CdS, ZnS, CdSe, ZnSe) и ряде других полу­

проводниковых материалов.

Наилучшие результаты достигнуты в инжекционном ОКГ на арсениде галлия, который и получил наибольшее распро­ странение. Работая при комнатной температуре, ОКГ гене­ рирует импульсную мощность до 100 Вт при длительности импульса 1 0 ” 8 с; такого же порядка мощность может быть получена при температуре жидкого азота и длительности им­ пульса 1 0 _ 6 с; средняя мощность при частоте повторения им­

пульсов более 10 кГц приблизительно составляет 0,5 Вт; наи­ высшая частота повторения — 200 кГц. В режиме непрерыв­ ной генерации достигнута мощность 10 Вт при охлаждении до гелиевых температур. Длина волны излучения' может из­ меняться в пределах от 0,82 до 0,91 мкм в зависимости от

веществами удается перекрыть диапазон длин волн от види­ мого до инфракрасного включительно (А~32 мкм).

Полупроводниковые ОКГ с другими механизмами воз­ буждения находятся пока еще в стадии лабораторных иссле­ дований. Принципиально они могут обеспечить более высо­ кую выходную мощность, использовать в качестве рабочих веществ более широкий круг полупроводниковых материалов

иперекрыть больший диапазон длин волн.

§18.4. Жидкостные оптические квантовые генераторы.

Весьма перспективными оптическими квантовыми генерато­ рами являются ОКГ, в которых в качестве рабочего вещества используются жидкие диэлектрики с растворенными в них атомами редкоземельных элементов (например, 5-процент­ ные растворы гадолиния, 2 -процентные растворы самария и неодима). Кроме того, активной средой жидкостных ОКГ мо­ гут служить растворы органических комплексов редкоземель­ ных элементов (хелаты) или органических красителей. Жид­ костные ОКГ объединяют преимущества твердотельных (высокая импульсная мощность) и газовых генераторов (ма­ лая расходимость луча); достоинства их определяются воз­ можностью использования растворов с большой концентра­ цией активных микрочастиц, отсутствием ограничений на длину рабочего объема, возможностью использования цирку­ лирующей жидкости и высокой оптической однородностью^ активной среды. Применение жидкостей освобождает также от проблем, связанных с выращиванием и обработкой кри­ сталлов. Жидкостные ОКГ на органических красителях прин­ ципиально позволяют обеспечить плавную перестройку ча­ стоты генерации.

Исследование структуры энергетических уровней рабочих веществ, использующих примеси редкоземельных элементов, показали, что она близка к структуре уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому механизм образо­

148

вания инверсных состояний в жидкостных ОКТ такого типа тот же, что и в твердотельных. Накачка осуществляется либо с помощью импульсных газосветных ламп, либо излучением другого ОКГ. Устройство жидкостного ОКГ схематично пока­ зано на рис. 73, где 1 и 4 — зеркальные поршни; 2 — рабочая

устойчивость жидкостей по отношению к большим уровням интенсивности излучения накачки и генерации.

Основные энергетические характеристики современных жидкостных ОКГ близки к соответствующим характеристи­ кам твердотельных ОКГ.

Г л а в а 19

Модуляция и прием оптических колебаний

§ 19.1. Методы модуляции излучения оптических кванто­ вых генераторов. Практическое применение ОКГ для целей передачи информации требует эффективных методов моду­ ляции излучения. Все известные методы могут быть разде­ лены на четыре вида: амплитудную, частотную, фазовую и

Рис. 74

поляризационную модуляцию; при этом их можно осущест­ вить как в процессе генерирования излучения ОКГ (внутрен­ няя модуляция), так и путем воздействия на излучение вне самого ОКГ (внешняя модуляция). Наибольшее распростра­ нение в настоящее время получили методы амплитудной мо­ дуляции, основанные на электро- и магнитооптических эф­ фектах, заключающихся в повороте плоскости поляризации световой волны во внешних электрических или магнитных полях. Принцип работы таких модуляторов понятен из рис. 74. Неполяризованный луч I падает на систему, состоя­

149