- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
Считая, что дифракционных потерь нет (это соответствует бесконечно большим размерам зеркал), рассмотрим суперпозицию плоских волн, распространяющихся между зеркалами З1 и З2 плоскопараллельного открытого резонатора (резонатор Фабри-Перо) с базой L. (рис. 1.18).
|
Рис.1.18.Формирование стоячей волны в резонаторе.
|
а) Сначала учтем только плоские волны, распространяющиеся строго вдоль оси резонатора z. За один цикл обхода волны от левого зеркала до правого и обратно изменение фазы волны составит величину:
Условие резонанса требует, чтобы волна вернулась в исходную точку в той же фазе, т.е. , где = 1,2,3… Приравняв правые части этих формул, получим: . (1.83)
Это условие можно записать через частоту: , (1.84)
где - резонансная частота, соответствующая колебанию с номером .
Эти собственные частоты резонатора называются продольными модами резонатора. Они отличаются одна от другой лишь распределением поля вдоль оси z, т.е. в продольном направлении. Величина ∆ν=νq+1-νq, (1.85) определяет расстояние по частоте между двумя соседними колебаниями.
|
Рис.1.19. Спектр продольных мод открытого резонатора.
|
Т аким образом, спектр собственных колебаний открытого резонатора состоит из равноотстоящих друг от друга линий и является эквидистантным (рис.1.19).
|
Рис.1.20.Формирование поперечных мод резонатора. |
б) Можно себе представить, что помимо продольных колебаний существуют также колебания, образованные плоскими волнами, распространяющимися под некоторым углом к оси резонатора (рис.1.20).
Собственные частоты этих колебаний определяются условием:
, (1.86)
где может принимать любые непрерывные значения. В результате сложения этих волн образуются так называемые поперечные колебания или поперечные моды резонатора. Для более подробного изучения поперечных мод резонатора рассмотрим объемный резонатор с идеально проводящими боковыми стенками (рис.1.21).
Спектр частот собственных колебаний такого резонатора определяется условием:
, (1.87)
где m, l =0,1,2,3... целые числа.
|
Рис.1.21. Схема объемного закрытого резонатора.
|
Приближенно, при малых углах распространения и m,l<<q, можно считать, что моды открытого резонатора описываются модами прямоугольного резонатора.
Тогда резонансные частоты плоскопараллельного открытого резонатора можно найти из выражения (1.87) путем разложения его в степенной ряд:
. (1.88)
Из этого выражения можем найти разность частот между двумя модами, отличающимися только значениями числа m на единицу, в виде: . Учитывая, что , отсюда получим: . (1.89)
Аналогично получим, что для разности частот l:
. (1.90)
Эти моды будут отличаться только распределением поля в плоскости, ортогональной оси z, т.е. в поперечном направлении.
Спектр собственных колебаний (резонансных частот) плоскопараллельного резонатора с учетом формул (1.89) и (1.90) имеет вид, показанный на рисунке 1.22.
Величины m и l определяют разность частот между двумя последовательными поперечными модами.
|
Рис.1.22. Спектр собственных колебаний плоскопараллельного открытого резонатора.
|