Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1211 12 > Следующая >>>

Грани образца (отражающие поверхности) служат зеркалами открытого лазерного резонатора. Толщина активного слоя при электронной накачке зависит от энергии электронов и может достигать десятых долей миллиметра.

Показанный на рис. 7.9 способ накачки лазера, при котором электронный поток ориентирован перпендикулярно оси оптического резонатора лазера, называется поперечной накачкой. Существует также

Рис. 7.9. Полупроводниковый лазер

с электронной накачкой:

1 – когерентное излуче ние; 2 – от-

ражающие поверхности; 3 – под-

ложка; 4 – полупроводник; 5 – по-

ток электронов

продольная накачка: электронный поток ориентирован вдоль зеркал оптического резонатора лазера. Электронная накачка позволя ет изготовить лазерные системы с мощностью излучения в импульсе до 1 МВт.

Принципиальные недостатки лазеров с электронной накачкой ограничивают область применения этих приборов. К таким недостаткам следует отнести наличие объема с высоким вакуумом, большие габариты, низкую эффективность (из-за двойного преобразова ния энергии общий КПД не превышает 1 %), сложность и громоздкость системы питания (ее объем и масса в десятки раз превышают объем и массу собственно лазера). Тем не менее для проекционного широкоформатного цветного телевидения (с площадью экрана до 10 м

), для сверхскоростных систем вывода информации ЭВМ, быстродействующих голографических запоминающих устройств, генераторов импульсов излучения с длительностью 10

–12

с лазер с электронной накачкой оказывается наиболее приемлемым источником излучения.

7.6. Разновидности лазеров

7.6.1. Газовые лазеры

Газовые лазеры находят применение в оптоэлектроннке прежде всего потому, что обладают высокой степенью когерентности излучения, относительное изменение длины волны излучения Δλ /λ у этих приборов лежит в диапазоне10–6...10–9, в то время как у других типов лазеров оно не менее 10–4. Малое значение Δλ обусловлено сла-

max

101

бым взаимодействием атомов и молекул в разреженном активном веществе, каким является газ. Коэффициент квантового усиления k в разреженных газах мал. Это приводит к тому, что для эффективного усиления излучения газовый лазер должен иметь большие линейные размеры. С другой стороны, увеличение линейного размера позволяет получить малую расходимость излучения Q, при длине резонатора не менее десятков сантиметров в соответст вии с выражением можно получить Q < 0,01 град. Для других типов лазеров Q > 1 град.

Таким образом там, где необходимы высокие когерентность и направленность излучения, применение газовых лазеров становится предпочтительным. Например, газовые лазеры в настоящее время незаме нимы при передаче большого объема информации в системах лазерной оптической связи.

Рассмотрим принцип действия газового лазера на примере газоразрядного лазера.

Газоразрядные лазеры работают на разреженных газовых средах (давление газа составляет примерно 100...1000 МПа). Активной средой газоразрядного лазера является образующаяся при возникновении электрического разряда газоразрядная плазма. Используются два типа разрядов: дуговой и тлеющий.

Некоторые параметры дугового и тлеющего разрядов приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Относитель-

ная иониза-

ция, %

–2

Разряд Рабочее

Дуговой Тлеющий

напряже-

ние, В

10...100 10

Параметры разрядов

Плотность

тока,

А/см

102...10

10–3...10

–1

Температура

разряда, К

3·10

Концентрация

электронов, см

109...10

Из приведенных данных видно, что дуговой разряд – это сильноточный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий разряд – слаботочный, низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.

В качестве примера лазера дугового разряда рассмотрим аргоновый лазер.

Конструкция такого лазера представлена на рис. 7.10.

Обводной канал обеспечивает выравнивание давления по длине трубки: в отсутствие такого канала газ накапливается в анодной части трубки вскоре после включения дугового разряда. Такого типа лазеры относительно дороги и громоздки.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый. Он работает на тлеющем разряде. Разряд

102

Рис. 7.10. Конструкция газового лазера дугового раз ряда:

1 – анод; 2 – катод; 3 –активная среда; 4 – водяное охлаждение;

5 – обводной канал; 6 – зеркала резонатора (полностью отражающее и

выходное); 7 – выходные окна газоразрядной трубки

вызывает возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения. Энергетический спектр атомов неона обеспечивает генерацию когерентного излучения с длиной волны 0,633 мкм.

Основным элементом такого лазера является стеклянная или кварцевая трубка, заполненная гелий-неоновой смесью. Трубка диаметром в несколько миллиметров и более и длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров откачивается и наполняется смесью газов. Внутри трубки имеются электроды, к которым подводится электрическое напряжение, возбуждающее и поддерживающее разряд в газе. Торцы трубки закрываются плоскими стеклянными или кварцевыми пластинками. Коэффициент отражения от плоской пластинки зависит как от угла падения, так и от поляризации излучения. Если плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения излучения на пластинку, то при некотором определенном угле (так называемом угле Брюстера) излучение пройдет через пластинку целиком, не отражаясь.

Большие габариты, наличие газонаполненного объема, высоковольтное питание, низкий КПД, сложность устройства возбуждения обусловливают практическую непригодность газовых лазеров для микрооптоэлектроники.

В то же время там, где необходимы высокая когерентность и направленность излучения, а требования к массам и габаритам невысоки, использование газовых лазеров является не только полезным. но и часто неизбежным.

7.6.2. Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры в качестве активной среды содержат кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люми-

103

несценции. Для малогабаритных оптоэлектронных устройств, совместимых с микроэлектронными устройствами, основ ным видом твердотельного лазера является лазер на иттриево-алюминиевом гранате Y3Al5O12, в кристаллической решетке которого часть атомов

+++

иттрия замещена ионами неодима Nd

. Эти кристаллы обладают высокой прочностью и теплопроводностью, однородностью оптикофизических параметров. Для создания когерентного излучения используется оптическая накачка.

Конструктивно твердотельный лазер содержит стержень активного вещества с отполираванными зеркальными торцами (оптический резонатор), освещаемый лампой-вспышкой или лампой непрерывного горения, и светособирающую систему, которая обеспечивает равномерную освещенность поверхности стержня и минимальный его нагрев (рис. 7.11).

Благодаря высокой концентрации активных центров энергия когерентного излучения твердотельных лазеров оказывается в десятки раз больше, чем у других типов лазеров. Оптическая накачка дает более высокое значение КПД, чем газовый разряд. Высоки эксплуатационные характеристики твердотельных лазеров: температурная и радиационная стойкость, механическая прочность.

Недостатки твердотельных лазеров связаны, прежде всего, с необходимостью оптической накачки. Двойное преобразование энергии (электричество – свет – лазерное излучение) не позволяет получить высокий КПД. Современные элементы системы оптической накачки имеют низкую долговечность, что снижает надежность лазера в целом. Принцип накачки твердотельного лазера не позволяет осуществлять внутреннюю модуляцию выходного лазерного излучения.

Рис. 7.11. Конструкция твердотельного лазера с ИК накачкой:

1 – стержень активного вещества; 2 – ИК-диод; 3 – оптическая среда;

4 – теплоотвод; 5 – фиксирующая оправка

Переход в системе накачки от осветительной лампы к ИК-диоду позволил существенно уменьшить габариты и повысить КПД. Обычно используются GaAlAs ИК-диоды на 0,81 мкм, что совпадает с резонансной полосой поглощения лазера. Совпадение частот

104

излучения ИК-диода и резонанса лазера при накачке и приводит к повышению КПД (лампы накаливания имеют размытый спектр излучения, и условие резонанса выполняется лишь для части этого спектра).

7.6.3. Сравнительная характеристика лазеров

Параметры малогабаритных лазеров

Тип Размер, смКПД, % Φе, мВт λ

Газовый 10 0,01...0,002 0,1...10 0,63 10

Твердотельный

Полупроводниковый

1 1...2 10...1041,06 10

0,1 10...20 10...100 0,8...0,9 2·10

max

мкм

Δλ

max

–6

...10–90,03...1,15 103...10

...4

...3

Таблица 7.2

10 1,5...3

1 До 10

пит

, В

В табл. 7.2 приведены основные параметры применяемых в настоящее время лазеров. Анализ этих данных приводит к выводу, что достаточно универсальным источником когерентного излучения для микрооптоэлектроники может быть лишь инжекционный полупроводниковый лазер.

Сравнивая полупроводниковые лазеры с другими типами лазеров, можно выделить следующие достоинства полупроводниковых лазеров:

– малые габаритные размеры и большое оптическое усиление (103...104 см–1);

– высокий КПД (почти 100 %);

– простота накачки лазера: инжекция не требует вы соких питающих напряжений и мощностей;

– высокое быстродействие;

– возможность генерации излучения заданной длины волны в широком диапазоне, что достигается выбором по лупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны;

– технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.

Современным полупроводниковым лазерам присущи некоторые недостатки:

– относительно низкие параметры когерентности излучения (Δλ и Q), что объясняется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора и малой вы ходной апертурой;

105

– низкая долговечность, равная для промышленных образцов

102...103 ч; в то же время теоретические расчеты показывают, что долговечность инжекционных лазеров мо жет быть выше 105 ч.

Снижение долговечности реальных приборов связывается, прежде всего, с постепенной деградацией (старением) полупроводникового лазера. Деградация стимулируется очень высокими плотностями тока и потоками опти ческой и тепловой мощности, которые характерны для работы полупроводниковых лазеров.

Основным деградацнонным эффектом является увеличение концентрации безызлучательных центров в активной области за счет внедрения атомов неконтролируемых примесей и образования новых дефектов. Кроме того, имеет место снижение активности излучательных центров и возрастание поверхностной рекомбинации.

К числу важнейших технологических средств снижения деградации и соответственно увеличения долговечности полупроводниковых лазеров относятся:

– выбор структурно однородного материала (как по электрическим, так и по теплофизическим параметрам);

– совершенствование конструкции кристалла;

– улучшение монтажа кристалла и теплоотвода.

В областях применения, требующих больших импульсных мощностей излучения в сочетании с высокой направ ленностью (локация, подсветка целей, дальняя волоконно-оптическая связь и т.п.), наибольшие перспективы имеют твердотельные лазеры.

Газовые лазеры неизменно остаются вне конкуренции во всех тех устройствах и системах, где определяющей является высокая степень когерентности лазерного излуче ния.

7.7. Лазерные модуляционные устройства

7.7.1. Модуляция лазерного излучения

Модуляция лазерного излучения – это изменение одного или нескольких параметров излучения по заданному закону во времени или (и) в пространстве. Закон изменения модулируемого параметра излучения обычно соответствует изменениям передаваемой с помощью лазерного излучения информации. Другими словами, если лазерное излучение используется в качестве носителя информации, то информацию можно вводить в различные параметры лазерного излучения.

Например, если информация вводится в интенсивность излучения (меняется информация – меняется интенсивность), то говорят о модуляции интенсивности.

106

Частотная модуляция лазерного излучения связана с изменением частоты излучения в соответствии с изменениями информации, фазовая модуляция – с изменением фазы, моду ляция поляризации – с изменением направления поляризации.

Φунк цию модуляции излучения выполняют модуляционные устройства, среди которых выделяют:

– модуляторы – устройства для изменения по заданному закону во времени одного или нескольких параметров лазерного излучения (интенсивности, фазы, частоты или поляризации);

– дефлекторы – устройства для изменения по заданному закону во времени положния пучка лазерного излучения;

– пространственно-временные модуляторы (ПВМ) – устройства для изменения во времени по заданному закону пространственного рас пределения интенсивности, фазы или поляризации пучка лазерного излучения.

Таким образом, ПВМ объединяют в одном устройстве функ ции модулятора и дефлектора, что позволяет наиболее полно «загрузить» информацией лазерное излучение в ПВМ.

Наибольшее применение в модуляционных устройствах когерентной оптоэлектроники нашли электрооптические эффекты и магнитооптический эффект Φарадея, а также различные фотоэффекты.

Электрооптические эффекты характеризуются возникновением оптической анизотропии (неравномерности) в веществе под воздействием внешнего электрического поля, в результате чего изменяется показатель преломления вещества; Появление оптической анизотропии – следствие изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля.

Электрооптические эффекты сопровождаются обычно явлением двойного лучепреломления, т.е. расщеплением проходящего света на два луча. Эти лучи (называемые обыкновенным и необыкновенным) распространяются с различными скоростями и по-разному поляризованы. Если в таких кристаллах выделить два взаимно-перпендикулярных направления х, у, то показатели преломления света вдоль каждого из этих направлений будут, вообще говоря, различными. Обозначим пока затели преломления по каждой из осей n

ny. Тогда кристаллы, в ко торых показатели преломления по каждой из осей различны (nx  ny), будем называть двухосными. Кристаллы, в которых направления х и у оказываются оптически однородными, т.е. nx = ny = n0, называются одноосными.

При распространении луча вдоль оси z в одноосном кристалле скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кри сталлу прикладывается электрическое поле, то равенство nx = ny на рушается и кристалл становится двухосным. При этом скорости

107

распро странения световых волн, поляризованных по осям х и у, также начи нают различаться.

Показатель преломления для обыкновенной волны по оси z изме-

няется линейно с напряженностью электрического поля:

где r

– электрооптическая постоянная Поккельса; Е – напряжен-

(E) = n0+ rПE, (7.16)

ность электрического поля; n0 – показатель преломления в отсутствие поля.

Это изменение показателя преломления, пропорциональное напря женности электрического поля, и составляет суть эффекта Поккельса, называемого линейным электрооптическнм эффектом.

Под влиянием внешнего поля одноосный исходный кристалл приобретает свойства двухосного, становится оптически анизотропным, вследствие чего изменяется коэффициент преломления. При прохождении световой волной некоторого пути I в таком кристалле возникает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами.

По мере проникновения излучения вглубь кристалла изменяется разность фаз между сигналами с различной поляризацией. В результате поляризация выходных и входных сигналов оказывается различной. В зависимости от длины пути в кристалле и получившейся разности фаз – поляризация выходного сигнала будет изме няться так, как это показано на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Зависимость поляризации выходного луча от сдвига фаз

обыкновенного и необыкновенного лучей

В соответствии с взаимной ориентацией направлений распространения луча z и напряженности электрического поля Е выделяют продольный и поперечный эффекты Поккельса.

Находит применение в оптоэлектронике и электрический эффект Керра. Здесь зависимость показателя преломления от напряженности электрического поля описывается соотношением

(E) = n0+ rК E 2, (7.17)

где rК – электрооптическая постоянная Керра.

108

Выражение (7.17) показывает, что эффект Керра характеризуется квадратичной зависимостью фазового сдвига от напряженности поля. Поэтому его называют квадратичным электрооптическим эффектом.

Магнитооптический эффект – это изменение некоторых оптических параметров вещества под действием магнитного поля.

Магнитооптический эффект Φарадея может быть объяснен различием в скоростях распространения оптических волн разной поляризации. Предположим, что линейно поляризованная монохроматическая свето вая волна падает на вещество, помещенное в постоянное магнитное поле с индукцией В; направление распространения волны совпадает с направлением поля. Известно, что линейно поляризованная волна может быть представлена в виде суммы двух волн разной поляризации. Магнитное поле делает различными показатели преломления для этих волн. В результате после прохождения пути L в веществе возникает разность фаз этих волн, пропорциональная магнитной индукции.

Среди фотоэффектов, приводящих к изменению оптических параметров вещества, можно выделить фотохромный, фотокристаллический, а также эффект фотопроводимости.

Φотохромный эффект заключается в изменении окраски или прозрачности вещества (неорганических стекол со специальными примесями, органических полимеров) под действием светового потока коротковолнового диапазона (ультрафиолетовое или коротковолновое видимое излучение). Для возвращения вещества в прежнее состояние требуется нагрев или воздействие светового потока с длиной волны ИК-диапазона.

Φотокристаллический эффект наблюдают, например, в аморф- ных полупроводниках: под действием света высокой интенсивности происходит кристаллизация вещества и, соответственно, изменение коэффициента преломления.

Эффект фотопроводимости заключается в том, что изменение проводимости под воздействием потока излучения сказывается на оптических параметрах вещества, в частности на показателе преломления, что позволяет использовать этот эффект для модуляции излучения.

7.7.2. Оптические модуляторы

Модуляция излучения необходима для ввода информации в оптический сигнал. В соответствии с уравнением световой волны информацию можно вводить в амплитуду, частоту, фазу и направление вектора поляризации. Далее модулированный оптический сигнал

109

поступает на фотоприемник. Современные фотоприемники реагируют только на интенсивность излучения, поэтому наи более распространенным видом оптических модуляторов являются мо дуляторы интенсивности.

При использовании других типов модуляторов необходимо предварительное преобразование модулированного каким-либо образом сигнала в модулированный по интенсивности.

С помощью модулятора обеспечивается внешняя модуляция лазер ного излучения, т.е. модуляция лазерного излучения вне излучателя лазера.

Возможна и внутренняя модуляция, которая осуществляется в самом лазере путем изменения параметров лазерного активного элемента или резонатора. Внутренняя модуляция в полупроводниковых лазерах осуществляется за счет изменения режима накачки.

В газовых лазерах внутренняя модуляция возможна за счет изменения добротности оптического резонатора. Следует подчеркнуть, что объединение в одном устройстве генерации и модуляции, как правило, ухудшает параметры лазерного излучения. Возникают побочные эффекты, которые приводят к снижению когерентности излучения.

В полупроводниковых лазерах, у которых внутреннее управление интенсивностью излучения наиболее просто и эффективно, внутренняя модуляция обычно вызывает рост порога генерации, ухудшение модового состава излучения.

Рассмотрим устройство электрооптического модулятора (рис. 7.13). Основу модулятора составляют два кристалла одинаковых размеров. Кристаллографические оси кристаллов взаимно перпендикулярны, что обеспечивает компенсацию температурного влияния на модуляцию: температурные изменения как бы вычитаются при прохождении оптическо го сигнала последовательно через оба кристалла.

Рис. 7.13. Структурная схема электрооптического моду лятора

Как видно из рис. 7.13, модулятор работает на электрооптическом эффекте Поккельса поперечного типа. Изменяя напряжение управления U

, т.е. изменяя напряженность электрического поля Е, мож-

упр

но регулировать фазу выходного оптического сигнала по отноше-

110

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1211 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]