lazer (Лазеры)

Министерство Образования и науки Российской Федерации

Благовещенский Государственный Педагогический Университет

Реферат.

Тема: Лазеры.

Выполнил: Молокин Павел Витальевич студент III курса

«Д» группы Физико-математического факультета

Проверила:

Карацуба Людмила Петровна

Благовещенск 2004г.

Введение.

Термину “лазер” нет ещё и десяти лет от роду, а кажется, что существует он давным-давно, - так широко он вошел в обиход. Разумеется, столь огромный интерес вызывает не само слово “лазер”, а названный так квантовый прибор для генерации электромагнитных волн оптического диапазона. Появление лазеров - одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.

Впервые генераторы электромагнитного излучения, исполь­зующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г. советскими физиками А.М.Прохоровым и Н.Г.Басовым и амери­канским физиком Ч.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.

Басов Николай Геннадиевич (1922 г.р.), российский физик, один из основоположников квантовой электроники. В 1954 г. совместно с А.М.Прохоровым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955 г. предложил трехуровневую схему для создания инверсного состояния в квантовых системах. В 1964 г. удостоен Нобелевской премии по фи­зике за фундаментальную работу в области квантовой электроники.

Прохоров Александр Михайлович (1916 г.р.), российский физик, один из создателей квантовой электроники. В 1954 г. совместно с Н.Г.Басовым создал первый квантовый генератор на пучке мо­лекул аммиака. В 1955-1960 гг. работал над соз­данием квантовых парамагнитных усилителей СВЧ-диапазона. В 1958 г. предложил в качестве резона­тора квантового генератора использовать открытый резонатор. В 1964 г. за фундаментальные работы в области квантовой электроники удостоен Нобе­левской премии по физике

Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан Т. Майманом (США) в 1960 г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы “Light amplication by stimulated emission of radiation” (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора – лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Год спустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот - США). А ещё через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.

Главная причина стремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительных свойствах этих приборов. Уникальные свойства лазеров - монохроматичность (строгая одноцветность), высокая когерентность (согласованность колебаний), острая направленность светового излучения.

Существует несколько видов лазеров:

• полупроводниковые

• твердотельные

• газовые

• рубиновый

Газовый лазер.

Первым квантовым генератором света, действующим в непрерывном режиме, стал газовый лазер, который работал на нейтральных атомах смеси гелия и неона.

. Схема газового лазера представлена на рис. Инверсное состояние создается в смеси двух газов: гелия с парциальным давлением 130 Па (1 мм рт. ст.) и неона с парциальным давлением 13 Па (0,1 мм рт. ст.); для этого в трубке со смесью газов возбу­ждается электрический разряд. При этом атомы гелия, стал­киваясь с электронами, пере­ходят на уровень2s. Схема расположения уровней атомов Не и Nе показана на рис.

Излучательный переход в основное состояние с уровня 2s для атомов гелия запрещен. Атомы гелия, сталкиваясь с атома­ми неона, которые на уровне возбуждения 2s имеют ту же энер­гию, что и атомы гелия на уровне 2s, передают им свою энергию. Инверсная населенность достигается между отдельными уровня­ми 2sи 2р, если время жизни на уровнях 2р достаточно мало.

Газоразрядная трубка с торцов ограничена стеклянной пла­стинкой, приклеенной под углом Брюстера к оси трубки, что по­зволяет исключить отражение поляризованного излучения лазера на торцевых стенках трубки. Трубка помещается между зеркалами с диэлектрическими покрытиями, что обеспечивает необходимый коэффициент отражения от этих зеркал на частоте генерации. Га­зовые гелий-неоновые лазеры генерируют излучение на длине волны 0,63 мкм.В настоящее время существует множество лазеров, излучение которых перекрывает весьма широкий диапазон спектра электро­магнитных волн от λ < 1 см. до λ = 0,1 мкм.

Полупроводниковые лазеры.

Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале  и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.

Создание инверсной населенности в полупроводниках.

Рассмотрим собственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитного излучения. Согласно правилу Стокса - Люммля энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона (валентная зона – зона проводимости) равна вероятности излучательного перехода (зона проводимости - валентная зона).

Предположим, что в результате какого-то внешнего воздействия полупроводник выведен из состояния термодинамического равновесия, причем в нем созданы одновременно высокие концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Электроны переходят в состояние с некоторой энергией Fn вблизи потолка валентной зоны. Рассматриваемая ситуация иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 1.

Так как все состояния вблизи дна зоны проводимости заполнены электронами, а все состояния с энергиями вблизи потолка валентной зоны заполнены дырками, то переходы с поглощением фотонов, сопровождающиеся увеличением энергии электронов становятся невозможными. Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона проводимости - валентная зона, сопровождающиеся рекомбинацией электронно-дырочных пар и испусканием электромагнитного излучения. В полупроводнике создаются условия, при которых происходит усиление электромагнитной волны. Иными словами, коэффициент поглощения получается отрицательным, а рассматриваемая ситуация отвечает состоянию с инверсной плотностью населенности.

Поток квантов излучения, энергия которых находится в пределах от

hv=Ec-Ev до hv=Fn-Fp , распространяется через возбужденный полупроводник беспрепятственно.

Для реализации процесса излучательной рекомбинации необходимо выполнить два условия. Во-первых, электрон и дырка должны локализоваться в одной и той же точке координатного пространства. Во-вторых, электрон и дырка должны иметь одинаковые по значению и противоположно направленные скорости. Иными словами, электрон и дырка должны быть локализованы в одной и той же точке k-пространства. Так как импульс образующегося в результате рекомбинации электронно-дырочной пары фотона значительно меньше по сравнению с квазиимпульсами электрона и дырки, то для выполнения закона сохранения квазиимпульса требуется обеспечить равенство квзиимпульсов электрона и дырки, участвующих в акте излучательной рекомбинации.

Оптическим переходам с сохранением квазиимпульса соответствуют вертикальные в k-пространстве (прямые) переходы. Сохранение квазиимпульса в процессе излучательного перехода может рассматриваться как квантомеханическое правило отбора (в том случае, когда в акте излучательной рекомбинации не принимают участие третьи частицы, например, фононы или атомы примесей). Невертикальные в k-пространстве (непрямые) переходы имеют значительно меньшую вероятность по сравнению с прямыми переходами, так как в этом случая требуется сбалансировать некоторый разностный квазиимпульс dk (рис. 2).

Таким образом, для получения излучательной рекомбинации необходим прямозонный полупроводник, например, GaAs. Вообще, придерживаясь строгой теории можно доказать, что инверсная населенность возможна лишь при условии Ec-Eg

Широко используемыми на практике способами создания инверсной населенности являются: 1) возбуждение за счет инжекции неосновных носителей через p-n - переход; 2) возбуждение электронным лучом;

3) возбуждение в сильном электрическом поле.

Рубиновые “спички”.

Первым в оптическом диапазоне волн заработал лазер на розовом рубине, испускающий ярко – красные световые лучи с длиной волны около 0,7мк. По химическому составу он представлял собой корунд с примесью оксида хрома Сг₂О₃ (0,05%). При достижении инверсной населенности использовались возбужденные состояния ионов Сг³⁺. Концентрация ионов хрома в кристалле розового ру­бина первого лазера составляла 1,62-10¹⁹ см-³. Для ионов хрома характерна так называемая трехуровневая схема расположения энергетических состояний. Инверсная населенность в рубине достигалась оптическим методом при по­мощи мощной импульсной ксеноновой лампы. Под воздействием ультрафиолетового излучения лампы ионы хрома возбуждаются с вероятностью р В и переходят на систему уровней 3. Отсюда они могут перейти или снова на уровень 1 с вероятностью А + р В или на уровень 2 в результате без излучательного перехода с вероятностью S - Энергия, выделяющаяся при таком переходе, идет на нагревание кристалла. Состояние 2 для ионов хрома является метастабильным, оно обусловливает фосфорес­ценцию рубина в красной области спектра. При определенной концентрации ионов хрома и мощности излучения, возбуждаю­щего ионы хрома (она называется мощностью «накачки»), уда­ется создать такое распределение ионов по уровням, при кото­ром N2 > N1, т.е. получить инверсное состояние. Между уровнями 1 и 2 возможны переходы, подобные переходам в двухуровневой системе.

В качестве системы, обеспечивающей обратную связь, приме­нялся по предложению А.М.Прохорова оптический резонатор Фабри-Перо. Зеркала резонатора 3 и 3 наносили непосредст­венно на торцы тщательно отполированного (с точностью до λ/8) рубинового стержня. Кристалл рубина помещали вдоль оси спи­ральной лампы накачки Л. В более поздних конструкциях применялись иные схе­мы оптического возбуждения кристалла, позволяющие улучшить условия освещения рубина. Например, использовались зеркаль­ные отражатели, имеющие форму эллиптических цилиндров. В одном из фокусов такого отражателя помещался кристалл рубина Р в другом - цилиндрическая лампа накачки Л . Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, генерируя вол­ны длиной 0,68 мкм.