Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций
.pdf
ного тока. При повышении температуры уменьшается также и контактный потенциал, следовательно, и напряжение холостого хода.
Второй способ повышения коэффициента полезного действия –
разложение спектра излучения на несколько отдельных диапазонов длин волн и подбор соответствующих фотопреобразователей на
каждый диапазон.
Разложение спектра можно проводить внешним фильтром, прозрачным при определенных длинах волн.
Более простая конструкция – последовательное (один за другим) расположение фотопреобразователей с различной шириной
запрещенной зоны. Широкозонные фотопреобразователи, поглощая кванты с hν > E
, служат «окном» для последующих узкозонных.
g
В этом случае фотоприемники могут быть изготовлены на одной
подложке и не возникает трудности создания промежуточных слоев
между отдельными ΦЭП, которые должны выполнять функцию проводников и в то же время не участвовать в процессе поглощения, т.е.
оставаться прозрачными в заданном диапазоне длин волн. Общий
ток всех следующих один за другим фотопреобразователей равен
IIIe
éù
=- -
å
фт
êú
ëû
i
qU mkT
i
()
1
, (6.15)
где Iф, Iт, Ui – соответственно фототок, темновой ток и напряжение
i-го фотопреобразователя.
Ток определяется минимальным током i-го фотопреобразователя. Первая задача, возникающая при проектировании системы, состоящей из последовательно включенных ΦЭП (каскадная система) – обеспечить во всех элементах равный ток. Для этого надо так
разбить спектральный диапазон солнечного излучения, чтобы количество квантов определенной энергии, поглощающихся в каждом из
материалов, было одинаковым, и генерировалась равная концентрация пар носителей заряда (сбалансированные каскады). Теоретически расчеты оптимальной системы дают следующее значение КПД:
η = 33 % для двух каскадов и η = 37,6 % для трех каскадов при однократной освещенности. Для двухкаскадной системы коэффициент
полезного действия такой же, как суммарный коэффициент двух
отдельных фотопреобразователей. Приращение КПД при переходе
от двух каскадов к трем меньше, чем при переходе от одного к двум,
поэтому практически нецелесообразно делать систему, состоящую
более чем из трех каскадов. В зависимости от ширины запрещенной
зоны темновой ток Iт для каждого ΦЭП определяется диффузионной
или генерационной составляющей. Напряжение холостого хода каскадного фотопреобразователя равно
81
N
éù
UnkTq III
=+
()
х.х ф т
ln
()
å
êú
ëû
1
=
i
si
. (6.16)
Одной из самых простых конструкций каскадного фотопреобразователя является эпитаксиальная структура на основе двух гомопереходов в GaAs и Al
As. На рис. 6.9 показана последовательность
xGa1–x
слоев, выращенных на подложке p-GaAs. Первый п+–р-переход
на структуре (рис. 6.9, а) изготовлен из широкозонного материала
Al
As с широкозонным окном Al
0,3Ga0,7
0,9Ga0,1
As, второй – узкозон-
ный – п+–р-переход в GaAs. Оба перехода разделены туннельным
р++–п++-переходом в арсениде галлия. Туннельный переход изготов-
лен из тонких слоев GaAs так, чтобы поглощение в этих слоях было
минимальным. Φототок этого перехода, направленный в противоположную по сравнению с фототоками п+–р-переходов сторону, не
уменьшал общего значения фототока каскада. Поскольку фотопреобразователь такой конструкции оказался не термостабильным, была
предложена более сложная структура, обеспечивающая туннельный
переход носителей заряда через тонкие слои сильнолегированного GaAs, расположенного между слоями AlxGa
As (рис. 6.9, б и в).
1–x
Двухкаскадный солнечный элемент такой конструкции имел коэффициент полезного действия η = 20,2 %.
Рис. 6.9. Структуры двухкаскадных фотопреобразователей на основе n+–p- (а, б) или
82
p+–n-переходов (в) с различным туннельно-прозрачными слоями
Рис. 6.10. Структура двухстороннего каскадного фотопреобразователя
на основе GaAs и AlxGa
1–x
As
Более простые и дешевые пленочные двухкаскадные и трехкаскадные солнечные элементы изготовлены из аморфного кремния α-Si: В этом случае слои с заданными свойствами (n-, p- и
i-проводимости) формируются при прохождении подложки через
ряд последовательных вакуумных камер, в каждой из которых происходит разложение соответствующей газовой смеси.
Одним из путей снижения стоимости ΦЭП на единицу вырабатываемой мощности является создание двухсторонних каскадных элементов, работающих при одновременном освещении с фронтальной
и тыльной сторон. Для тыльной засветки можно использовать отраженное от Земли или специально сконцентрированное на фронтальной и тыльной сторонах фотопреобразователя излучение. Одна
из таких конструкций на основе переходов в GaAs и AlxGa
As пред-
1–x
ставлена на рис. 6.10.
Применение односторонних и двухсторонних каскадных фотопреобразователей позволяет получить большие мощности при высоком коэффициенте полезного действия.
83
7. КОГЕРЕНТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. ЛАЗЕРЫ
7.1. Когерентное излучение
Предположим для упрощения, что оптическое излучение отдельного атома есть плоская монохроматическая волна. Распространение такой волны во времени и про странстве описывается известным
из физической оптики уравнением
Е(х, t) = E
cos[2nνt – 2(πνn/c0) x + φ0], (7.1)
m
где Е – напряженность электрического поля волны; Еm – амплитуда
напряженности электрического поля; ν – частота колебаний;
t – время; п – показатель преломления среды; с0 – скорость
света в вакууме; х – координата в на правлении распространения
излучения; φ0 – 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,
φ0, а также направления поляризации различны для всех излучаю-
щих 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, φ0 и направления поляризации для всех атомов одинако вы, то весь результирующий поток излучения также описывается уравнением (7.1). При этом имеет
место когерентное излучение.
В современной оптоэлектронике источниками когерент ного 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 оптиче-
84
ской (в основном голографической) памятью и устройствами интегральной оптики. Первое из этих направлений привлекательно
тем, что в нем в максимальной степени используются такие отличительные осо бенности когерентной оптоэлектроники, как высокая на правленность излучения и возможность пространственной
модуляции. Второе направление характеризуется, прежде всего, распространением принципа технологической инте грации на элементы
когерентной оптоэлектроники.
Когерентность оптического сигнала. Когерентность оптического
сигнала – главная отличи тельная 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 возник новения 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 со стояние; этот переход происходит
с испусканием еще одно го фотона, энергия которого будет равна
энергии вынуж дающего фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и
пропускать через эту систему излучение, то воз можно 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.
Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (так называемой накачки) Е
часть электронов с нижних равновесных уровней
н
Е1 переходит на более вы сокие уровни, а затем оказывается на уровне
возбуждения Е2 (рис. 7.1). Возвращение этих электронов с уровня Е2 на
уровень Е1 сопровождается испусканием фотонов с дли ной волны
1, 2 3
λ =
EE
. (7.2 )
-
21
Процесс перехода электронов с уровня Е2 на уровень Е1 может
протекать по-разному. Возможен спонтанный переход, при котором
момент испускания и направление век тора поляризации каждого
фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается лишь среднестати стическими параметрами (переходы 1, 2, 3 на
рис. 7.1). Та кой процесс перехода излучающих атомов из возбужден-
85
Рис. 7.1. Квантовые переходы в лазерном веществе
ного состояния в равновесное не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентно го излучения.
Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность
вынужденных переходов из энергетического состояния Е2 в энергетическое состояние Е1 (переходы 4, 5 на рис. 7.1). Такие переходы
связаны с действием вынуждающих фотонов. При этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязанно и так,
что испускае мые фотоны неотличимы от тех, которые их вызвали.
Это когерентное излучение называется вынужденным.
Вынужденное излучение – это когерентное электромагнитное
излучение, возникающее при вынужденных переходах.
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
где n
– вероятность лазерного перехода; Q
лаз
лаз=В21QвынN2
Δt, (7.3)
– энергия вынужда-
вын
ющего излучения; N2 – концентрация атомов в энергетическом
состоянии E2.
86
Количество спонтанных переходов можно в первом приближе-
нии оценить в виде
n
спон=A21 N2
Δt, (7.4)
где A21 – вероятность спонтанного перехода E2–E1.
Количество квантовых переходов, приводящих к погло щению
вынуждающего излучения, определяется выражением
n
погл
= В12Q
Δt, (7.5)
вынN1
где B12 – вероятность квантового перехода с поглощением излуче-
ния.
Полагая в первом приближении равенство вероятностей B
=B
= B, получим условие лазерного усиления в виде
12
ВQ
вын (N2
– N1) – A
> 0. (7.6)
21 N2
=
21
При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие
лазерного усиления имеет вид
ВQ
– N1) > 0 или (N2 – N1) > 0. (7.7)
вын (N2
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 изо лированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление
в них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их
размеры гораздо больше.
87
7.2. Населенность и инверсия населенности
Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие «населенность» уровня энергии, под которой понимают число
атомов в единице объема, имеющих одинаковое энерге тическое состояние. В условиях термодинамического равно весия населенность
энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана:
N
= exp[–(Е2 – Е1)/kT], (7.8)
2/N1
где N2 – населенность возбужденными атомами (в состоянии Е2);
N1 – населенность невозбужденными атомами (в состоянии Е1).
При этом величина
ΔN = N2 – N1 (7.9)
отрицательна и в веществе имеем нормальную населенность, когда
концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещест во 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 возбуж денных атомов.
Φормально из выражения (7.9) следует, что условие ΔN > 0 выпол-
няется 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 из лучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии,
называется порогом инверсии.
7.3. 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 обеспе-
88
чивают многократное прохождение волны излучения через активное
вещество; для вывода излучения зеркала делаются полупрозрачными. В общем случае оптический резонатор – это система отражающих, прелом ляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться волны
оптического диапазона.
Рис. 7.2. Образование фотонной лавины в оптическом резонаторе:
1 – активная среда; 2 – зеркала оптического резонатора
Лавинообразный процесс воз никновения лазерного излучения
(«фотонной лавины») в оптическом резонаторе изображен на рис. 7.2.
«Φотонная 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 лазерно го излучения при наличии ПОС через оптический резона тор дает необходимые энергетические предпосылки для са могенерации 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.
89
В зависимости от вида подводимой энергии накачки различают
следующие виды накачки лазера:
– оптическая накачка – возбуждение лазера оптическим излучением; она может быть ламповой – источник накачки лампа, диодной – источник накачки СИД; лазерной – лазер и т. д.;
– электрическая накачка – накачка лазера электрической энергией (в частности, к этому виду накачки относит ся накачка инжекционных лазеров);
– электронная накачка – накачка лазера электронным пучком;
– химическая накачка – накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном веществе.
7.4. Порог генерирования лазера
Лазерный пучок – это не просто поток энергии, как, например,
пучок света. Это поток энергии очень высокого качества, 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 (см. рис. 7.2) хорошо описывается экспонентой с положительным показателем:
E(x) = E0exp[(KL – KQ)x], (7.10)
где Е(х) – энергия излучения вдоль оси х; Е0 – энергия излучения
при х = 0; КL – линейный коэффициент лазерно го усиления
(вдоль оси х), значение которого пропорционально энергии
накачки Ен; KQ – коэффициент потерь из лучения в оптическом
резонаторе и активной среде.
При некотором значении энергии накачки Ен(KL), которое называется порогом генерирования лазера, КL > КQ, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т.е. генерацию.
Порог генерирования лазера – это энергия Е
или мощность Рn,
н
поступаю щая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]