- •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
2Твердотельные лазеры
Исторически твердотельные лазеры стали первыми квантовыми генераторами когерентного оптического излучения. Их широкое распространение обусловлено тем, что твердотельные лазеры позволяют получать мощное когерентное излучение от УФ до ИК-области спектра, работать как в импульсном, так и непрерывном режимах.
В настоящее время генерация получена на большом числе активных сред (несколько сот), но практическое значение имеют сравнительно небольшое число т/т лазеров: на рубине ( = 0,69 мкм), неодимовые - на стекле и гранате ( ≈1,06 мкм), а также лазеры на кристалле ГСГГ, александрите и эрбиевые.
Основу активной среды (АС) твердотельного лазера составляет матрица (диэлектрический кристалл либо стекло), в которую введены ионы примесей - активатора. Именно энергетические уровни активатора используются для создания инверсной населенности и получения эффекта квантового усиления. Относительная концентрация активных центров составляет в т/т рабочих веществах доли или единицы процента от полного числа атомов в среде. Однако абсолютная концентрация активных центров составляет величину 1017-1020 см-3, что соответствует большим коэффициентам квантового усиления. Матрица непосредственно не участвует в физических процессах, приводящих к генерации, но ее вещество определяет технические свойства АС. Физические свойства AC определяются в основном активатором.
Перечислим некоторые требования, которым должны удовлетворять твердые вещества, используемые в качестве АС лазеров.
1. Вещество должно обладать метастабильными уровнями энергии, на которых возможно накопить значительное количество активных атомов. При этом время жизни атомов в метастабильном состоянии должно определяться в основном излучательными переходами, т.е. вероятность безызлучательных переходов, при которых вся энергия возбужденных атомов или ее часть передается кристаллической решетке, должна быть относительной малой.
2. Материал должен обладать широкими полосами поглощения с высоким квантовым выходом люминесценции. Чем шире полоса поглощения материала, тем большая часть излучения источника накачки (например, газоразрядной лампы) используется для возбуждения активных атомов.
3. Активное вещество должно иметь малые потери на частоте генерации, не связанные с резонансным переходом частиц между рабочими уровнями, а также высокое оптическое качество.
АЭ изготавливается, как правило, в виде цилиндра диаметром 0.3...2 см и длиной 3...20 см. Для уменьшения потерь на отражение торцевые поверхности АЭ просветляются на рабочей длине волны лазера.
2.1Рубиновый лазер
Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3, в котором часть ионов Al+3 замещена ионами хрома Сr+3 (условная химическая формула рубина α - Al2O3:Cr+3). В такой системе активными центрами являются ионы хрома Сr3+, а матрицей - кристалл -корунда (-Al2O3). Чистый корунд Al2O3 является серо-прозрачным материалом. Красный рубин, в котором весовая концентрация ионов Сr+3 составляет ~ 0,5%, как драгоценный камень известен давно. Кристаллы рубина, используемые в лазерах в качестве AC, обычно получают путем выращивания из расплава смеси А12О3 и небольшой части Сr2О3. При весовом содержании хрома всего 0,05%, что соответствует 1,6∙1019 ионов/см3, рубин приобретает бледно-розовую окраску.
Кристалл рубина анизотропный, одноосный, величина двулучепреломления n=ne-n0 = 0,008.
На рис.2.1 представлена схема энергетических уровней Cr+3 в рубине. Главные детали оптического спектра рубина связаны c переходами между энергетическими уровнями Cr+3 как активатора. Эти уровни существенно отличаются от уровней энергии в свободных ионах Cr+3. Происхождение их определяется сильным взаимодействием электронной оболочки 3d группы железа (к которой принадлежит хром) с кристаллическим полем решетки. Представленная схема энергетических уровней соответствует трехуровневой схеме накачки.
|
Рис.2.1. Схема энергетических уровней Cr+3 в рубине.
|
Рабочим переходом в рубине является переход между уровнями 2Е и 4А2. Состояние 2Е является метастабильным и состоит из двух близких подуровней и , расстояние между которыми составляет 29 см-1. Переходы между этими подуровнями и основным уровнем 4А2 соответствует линиям излучения R2 и R1 соответственно с длиной волны 6929 Å и 6943 Å при температуре 3000К.
Излучение накачки поглощается рубином в двух широких полосах, соответствующих переходам активных атомов из основного состояния 4А2 в состояние 4F1 и 4F2 (“синяя” и “зеленая” полосы поглощения).
Часть возбужденных атомов из состояний 4F1 и 4F2 снова возвращается в основное состояние 4А2, а большая часть их переходит в метастабильное состояние 2Е. Измерения показали, что для перехода 4F24A2 вероятность спонтанных переходов A31≈3·105 c-1, в то время как вероятность безызлучательных переходов 32 на уровень 2Е составляет 32≈2·107 с-1, что соответствует времени безызлучательного перехода 32≈5·10-8 с-1.
Верхний уровень рабочего перехода - метастабильный и время жизни ионов Cr+3 на нем определяется в основном радиационными переходами и составляет 2≈3 мс.
Оценим пороговую населенность метастабильного уровня , при которой начинается генерация линии R1 в рубине на =6943 Å . Пусть одно из зеркал резонатора полупрозрачно и имеет коэффициент отражения r, а для второго зеркала коэффициент отражения равен единице. Потери на излучение, пересчитанные на единицу длины, составляют (1-r)/2l, где l - длина активного элемента. Если другие потери несущественны, то, приравнивая эту величину коэффициенту усиления активной среды G=21(N2-(g2/g1)N1), где 21 - сечение вынужденного перехода, N1, и N2 - населенности соответствующих уровней, а g1 и g2 -кратности вырождения уровней, получим выражение для пороговой населенности:
пор=N2-(g2/g1)N1=(1-r)/221l (2.1)
Полагая r = 0,5; l=10 см, 21= 2,5∙10-20 см2, находим пор=1018 см-3.
Рубиновые образцы, используемые в лазерах, изготавливаются обычно в виде стержней, продольная ось которых составляет с оптической осью С угол в 90° или 60°.