Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990), страница 5

Ко второй группе относятся„например, лазеры на растворах пнроинна, родамина, трипафлавита и др, 1т В жидкостных лазерах инверсия осуществляется прн помощи оптической накачки. В полупроводниковых лазерах рабочим телом является кристалл полупроводника. Генерация осуществляется при рекомби. нации неравновесных электронов и дырок при соответствующих переходах носителей. Полупроводниковые лазеры подразделяются нз две основные подгруппы. Лазеры, в которых рабочим телом являются кристаллы-полупроводники, изготовленные таким образом„что одна их часть обладает электронной проводимостью (п-тип), а другая — проводимостью, обусловленной наличием дырок (р-тип). В этих условиях на границе, называемой р — п-переходом, возникает большой градиент концентрации как электронов, так и дырок.

Инверсия в данном случае осуществляется при инжекции носителей тока через р — л.-переход под влиянием прилагаемой к кристаллу разности потенциалов. Полупроводниковые лазеры, относящиеся к данной подгруппе, получили название инжекциоиных ПКГ, типичным представителем их является лазер на р — и-переходе в арсениде галлия, Ко второй подгруппе относятся лазеры, э которых рабочим телом являются кристаллы полупроводника одного типа. В этом типе лазеров возбуждение осуществляется при бомбардировке кристалла полупроводника электронным пучком или достигается оптической накачкой. В качестве рабочих тел используются, например, полупроводники-кристаллы сульфида кадмия СбВ, арсенида галлия ОаАз, теллура свинца РЬТе и др, Кроме указанной классификации, может быть произведена классификация лазеров по виду используемых в них рабочих тел, однако возможно их подразделение иа группы в зависимости от способа накачки, прн этом следует иметь в виду, что помимо оптической я электрической накачки внверсия, вообще говоря, может быть осуществлена еще и другими способами.

В последнее время большое внимание уделяется химической накачке„ когда инверсия возникает при той илн другой химической реакции. Химическая реакция может быть осуществлена либо при фотодиссоциации молекул, как, например, в лазере иа атомарном газе, либо в электрическом разряде в смеси газов, например )(е — О„ Аг — О„ а также на фтористом водороде и других или прн взаимодействии соответствующих молекул и атомов н их соединений.

В результате всех этих процессов образуются атомы или молекулы в возбужденном состоянии. Следует отметить, что лазеры можно подразделить также на группы в завнснмосги от режима их работы. Различают лазеры, работающие в непрерывном режиме с длительностью импульса !О э — 10 э с (режим свободной генерации); в режиме гпгантских импульсов, когда длительность определяется 10 ' — 1О~ с, и так !э называемом режиме синхронизации мад, при котором длительность импульса может быть короче 10 х' с. Подробнее о режимах работы лазеров будет изложено ниже (см. гл.

Б). 1А, ФОРМА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ Формула (1.13), определяющая мощность излучения лазера, относится лишь к идеализированному случаю. При этом в наших рассуждениях мы предполагали, чта каждая частица, будь то атом или молекула, обладает строго определенными значениями энергии, т. е. каждый энергетический уровень ее мы считали бесконечно тонким и поэтому при переходе с верхнего энергетического уровня т иа нижний и излучается вполне определенная частота т „. На самом деле в природе бесконечно тонких уровней не существует. Каждый энергетический уровень имеет ту или другую степень размытости, определяемую интервалом энергии Ы', Верхний и нижний уровни имеют ширины, соответственно равные цйг и ЛП"„, поэтому при соответствующих переходах с одного уровня на другой частота излучаемога кванта лежит в определенном интервале частот Лт „.

Интенсивность излучения в пределах этого интервала непостоянна, и она определяет ширину и форму излучаемой спектральной линии. Даже в том случае, когда на частицу ие действуют никакие внешние силы, спектральная линия имеет конечную естественную ширину. Естественная ширина и форма спектральной линии впервые были описвны Лоренцам на основе законов классической электродинамики.

Однако более строгий вывод может быть произведен иа основе кввнтово-механического принципа неопределенности Гейзеиберга. Согласно принципу неопределенности совершенно тач. иае измерение некоторых пар динамических переменных в принципе невозможно, при этом произведение двух неопределенностей рассматриваемых величин не может быть меиыпе постоянной Планка й. Например, если импульс частицы обозначить через р, а д — ее координата, то Ьр бд >.

й: С точки зрения квантовой механики естественная ширина спектральной линии вызвана неопределенностью в энергии стационарных состояний атома. Из прницица неопределенности следует, что энергия системы известна лишь с точностью 6%', определяемой соотношением 11.16) ЫР И ж й = А/(йп), где Ы вЂ” время существоввния системы. В данном случае Л1 представляет собой среднее время жизни атома в состоянии с энергией %' относительно перехода с уровня т на уровень и. Среднее время жизни обратно пропорционально вероятности пере- 19 И' хода, т. е.

Ы вЂ” 1/А „. С другой стороны, так как %' = Ьт „, то Ь)Р = =л Лт, тогда из !!.18) следует, что Ьг Ьт, = А „/(2я). 2 Чем меньше вероятность перехода с какого-либо энергетического уровня ча кэ иа другой, .г, е. чем больше время — жизни атома по отношению к дакиому переходу, тем уже интервал значерас. 1л. вяергетвчасяая вий б !и и тем менее размыт двкиый аааграеиа треххрозаезеа св- уровень, а следовательно, тем меньше стеъяй ширина соответствующей спектральной ливии (тем более она резкая).

Существенным является то, что коэффициент А „связан с временем жизни обоих уровней, как т, так и л, т. е. оно зависит ! 1 какотъ,такиотт„: А „= — +— тп~ тп На рис. 1.8 представлена энергетическая диаграмма трех. уровневой системы. Уровень ! — нормальный уровень основного состояния атома, время жизни на нем И - о и может быть принято равным бесконечности, поэтому А1Р', О.

Вероятность перехода с уровня 2 на уровень 1 велика (б! = т„мало), уровень размыт очень сильно, линия широкая. Вероятности переходов с уровня 8 А„и Аз, малы, уровень размыт немного. Ширина линии с частотой тз, мала. Линия т„вследствие значительной ширины второго уровня широкая, линия с частотами тм я тм имеет приблизительно одинаковув ширину, определяемую в основном размытостью уровня 2.

Если принять заселенности уровней одинаковыми, то вследствие того, что вероятность А„велика, линия с частотой тм будет яркой, соответственно линия чм — слабой яркости, т,„— средней. Распределение интенсивности по частотам, присущим данной спектральной линии, определяет форму спектральной линии. Форма спектральной линии представляется некоторой нормированной функцией 5 !», т,), где т, — резонансная частота.

Нормирование осуществляется сяедукхдим образом: ) 3!», ч,~гЬ =1. Расчет, выполненный известньпа в квактовой механике методом возмущений, показывает, что для естественной ширины спектральной линии лаваля 1,—,) +!л „)4 1 (1Л7) Из !!,17) следует, что при частоте т, равной «„3 (», те) имеет максимальное значейие. При частоте т, когда (т — т,) = Ьт, = во = А „/4н, 8 (т, те) убывает в два раза. Величина Ьт„взятая на уровне половинной интенсивности, определяет так называемую полуширину спектральной линии.

Принимая во внимание, что А ион = Лт„формула (1.17) может быть представлена в следующем виде: а(т те) = т т. (1.1В) ( — тс)'+ ат,' ' Максимум а (т, тс) равняется 1/(я Лт), что видно иа рпс. 1.9. Ширина спектральной линии может изменяться под действием процессов, ограничивающих время жизни возбужденного состояния и модулирующих случайным образом энергетические состОяния. Если излучающее вещества находится в газообразном состояния, то к таким процессам относятся прежде всего различного рада соударения, например соударенне возбужденного атома с нейтральными атомами, ионами и электронами, а также соудареиия со стенками сосуда.