- •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
7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
Вынужденное комбинационное рассеяние - это рассеяние света большой интенсивности в нелинейной среде при котором возбуждаются когерентные колебания молекул и рассеянная световая волна имеет частоту ω2, которая меньше частоты падающего света ω1 на частоту молекулярных колебаний.
Комбинационное рассеяние – это двухфотонный процесс, в котором один фотон – ω1 (k1)- поглощается и один фотон – ω2 (k2)- излучается; при этом среда переходит из начального состояния |f>, как показано на рис.7.8. из закона сохранения энергии следует что ħ(ω1-ω2)=Еf-Еi≡ħωfi, т.е. разности энергий конечного и начального состояний. Если разность частоты (ω1-ω2)=ωfi>0, то процесс рассеяния называется стоксовым или антистоксовым при условии (ω1-ω2)=ωfi<0. Энергия, равная (ω2 –ω1) поглощается веществом, за счет чего возбуждаются собственные колебания молекул на частоте Ω.
|
Рис. 7.9. Схема, иллюстрирующая процессы стоксова комбинационного рассеяния (ω2<ω1), сопровождающегося переходом среды из состояния |i > в состояние |f>, и антистоксового комбинационного рассеяния (ω2>ω1), сопровож-дающегося переходом среды из состояния f> в состояние |i>.
|
C классической точки зрения, явление вынужденного комбинационного рассеяния можно трактовать как параметрический процесс, при котором, за счет энергии падающей волны возбуждаются “волна” молекулярных колебаний и световая волна стоксовой частоты. При вынужденном комбинационном рассеянии, кроме стоксовой волны, может возбуждаться антистоксовая волна с частотой: ω1+Ω, а в общем случае могут возбуждаться частоты более высоких порядков: ω1±nΩ, (n=2,3). Вынужденное комбинационное рассеяние возникает лишь при достаточно большой интенсивности падающего света. При малых интенсивностях падающей волны происходит самопроизвольное (спонтанное) комбинационное рассеяние, когда тепловые колебания молекул происходят хаотически.
Классическое описание взаимодействия света с внутримолекулярными движениями основывается на учете зависимости электронной поляризуемости молекул α от ядерной конфигурации, задаваемой координатами ядер Qi. В простейшем одномерном случае:
(7.36)
Член описывает модуляцию света молекулярными колебаниями - в наведенной поляризации молекулы появляются новые частотные компоненты, сдвинутые на частоту колебаний ядер:
(7.37)
В условиях, когда Q определяется тепловыми движениями в среде, (7.37) описывает спонтанное комбинационное рассеяние.
Зависимость α(Q) является одновременно причиной обратного воздействия световых волн на молекулярные колебания. Действительно, энергия взаимодействия молекулы со световой волной выражается с помощью (7.37) в виде: , и, следовательно, при в световом поле возникает сила, действующая на молекулярные колебания: . (7.38)
Очевидно, что эта сила может привести к их резонансной ”раскачке”, если поле содержит компоненты с частотами ω1 и ω2, разность которых близка к собственной частоте молекулярных колебаний Ω, т.е. ω1-ω2≈Ω. В этих условиях на хаотическое внутримолекулярное движение, имеющее флуктуационный характер, накладываются регулярные вынужденные колебания. Фазы этих колебаний в различных молекулах определяются фазами компонент светового поля.
Вынужденное комбинационное рассеяние является пороговым эффектом, т.е. она возникает, если интенсивность мощной световой волны частоты ω1, падающей на среду, превышает пороговое значение: І1 ≥ Іпор. При этом условии низкочастотная (стоксова) волна с частотой ω2=ω1−Ω экспоненциально усиливается по мере распространения через среду; при І2<< І1 имеем: I2=I20exp(gI1z), (7.39)
а коэффициент усиления непосредственно выражается через параметры линии спонтанного рассеивания: , (7.40)
где dσ/do – сечение рассеяния, 2Г – ширину линии, N – плотность молекул, g(ω1−ω2) − форм-фактор линии (g(Ω)=1). При gІ1z>>1 исходная волна частоты ω1 истощается, происходит эффективный энергообмен между волнами.
Если же говорить о состоянии среды, в которой происходит вынужденное рассеяние, то особенно существенными оказываются два обстоятельства:
а) В результате воздействия на среду волны накачки и стоксовой волны происходит фазирование молекулярных колебаний во всем объеме, занятом световыми полями. Процессы фазирования могут быть описаны с помощью классического подхода, основанного на соотношениях типа (7.36)-(7.38).
б) Естественно, что при достаточно сильном возбуждении изменяется и разность населенностей между возбуждаемыми колебательными уровнями. Здесь теоретическое описание требует уже квантового подхода; заметим, что выравнивание населенностей приводит к подавлению вынужденного комбинационного рассеяния.
В заключение следует отметить, что для возбуждения вынужденного комбинационного рассеяния не нужно каких – либо дополнительных условий, кроме достаточно большой интенсивности лазерного излучения.