11. Лазери на вільних електронах.

Ла́зер на ві́льних електро́нах — джерело когерентних електромагнітних хвиль, що використовує синхротронне випромінювання електронів, прискорених майже до швидкості світла. Принцип дії лазера на вільних електронах відрізняється від принципу дії звичних лазерів, що використовують вимушене випромінювання переходів між різними енергетичними станами атомів та молекул, і в яких електрони зв'язані. У лазері на вільних електронах електрони, що випромінюють світло, мають велику енергію, тобто є вільними частинками. Випромінювання виникає в результаті проходження швидкого електрона через періодичну структуру, ондулятор або віглер, в якій на електрон діють сили, що змушують його траєкторію коливатися в площині, перперндикулярній напрямку руху. При русі вздовж такої траєкторії електрони випромінюють електромагнінті хвилі, що отримали назву синхротронного випромінювання. Когерентність випромінювання досягається за рахунок формування в електронному пучку згустків електронів. Електрони таких згустків випромінюють світло з однаковою фазою. Завдяки великій кількості електронів у згустку, випромінювання може бути дуже інтенсивним.

Лазери на вільних електронах мають широкий спектр від мікрохвиль до рентгенівського діапазону й легко налаштовуються на потрібну частоту. Вони вимагають попереднього прискорення електронів майже до швидкості світла, тобто повинні мати одним із свої компонентів прискорювачі.

Потужність лазера складала 300 мВт, а ефективність всього 0,01%, але була показана працездатність такого класу пристроїв, що призвело до величезного інтересу і різкого збільшення кількості розробок

Схематична ілюстрація принципу дії лазера на вільних електронах

Рис. 4. Схема Станфордского лазера на вільних електронах в режимі генератора. Близько дзеркал, крім поля ондулятором, використовувалося провідне поле для введення і виведення електронного пучка

12. Загальна характеристика, принцип дії напівпровідникових лазерів.

Як активна речовина у лазері можуть застосовуватись і напівпровідникові матеріали. Лазери такого типу називають напівпровідниковими або інжекційними.

У напівпровідникових лазерах можливе пряме перетворення електричної енергії у енергію світлового випромінювання, в результаті чого можна одержати високий к.к.д близько 100%.

Енергетичні рівні напівпровідника показані на рисунку.

Зона провідності 1 і валентна зона 5 розділені забороненою зоною 6 (рівні, які не можуть бути зайняті електронами даної речовини).

У кристалі можуть також виникнути рівні 2, 3, 4 пов'язані з наявністю тих або інших порушень кристалічної структури.

Стани електронів у зоні провідності і валентній зоні утворюють безперервний спектр власних значень енергії. У ідеальному напівпровіднику число електронів у зоні провідності в точності дорівнює числу дірок (не зайнятих електроном місць) у валентній зоні. В реальному напівпро­віднику число носіїв струму визначається наявністю в ньому сторонніх домішок.

Когерентне випромінювання світла напівпровідниковими речовинами викликане реком­бінацією електронів і дірок, що роблять переходи між енергетичними зонами напівпровідника, а також між домішуваними рівнями.

Якщо електрону надати додаткову енергію ззовні, він перейде на більш високий енергетичний рівень, що лежить у зоні провідності. При повернені електрона у валентну зону відбувається рекомбінація пари електрон—дірка, що супроводжується виділенням енергії у вигляді кванта світлового випромінювання.

Якщо пропускати через напівпровідниковий матеріал з р-п переходом електричний струм у прямому напрямі, то відбувається збудження електронів, які віддають потім надлишок енергії у вигляді світлових квантів.

У 1962 р. був розроблений напівпровідниковий лазер з активною речовиною з арсеніду галію, що мав шарову структуру типу площинного діода. У арсенід галію вкраплений свинець з цинком або телурій. Будова такого генератора показана на рис.

Активний матеріал складається з арсеніду галію n-типу і р-типу.

Площина р – n переходу 6 горизонтальна. Сам напівпровідник має форму зрізаної піраміди, нижня частина якої знаходиться на плоскому електроді. Передня і задня поверхні піраміди паралельні і дуже старанно відполіровані. Ці поверхні утворюють резонатор, настроєний на довжину хвилі 0,85 мк.

Працює лазер при температурі 77 К. Для інжекції носіїв зарядів використовуються імпульси струму тривалості 5-20 мксек. При густині струму, близькій до 8500 А/см² інтенсивність випромінювання швидко зростає.

Коефіцієнт перетворення електричної енергії у інфрачервоне випромінювання дорівнює 85%. Інтенсивність ви­промінювання останніх зразків напівпровідникових лазерів досягає 2500 Вт/см². Імпульсні потужності напівпро­відникових лазерів, активна область яких має розмір булавочної головки, становлять 3 Вт при к. к. д. близько 100%.

Напівпровідникові оптичні генератори можуть працю­вати в імпульсному і безперервному режимах.