Лекция 2 (Шесть лекций)

Лекция 2. Источники и приемники оптического излучения для систем передачи информации.

Часть I. Источники оптического излучения.

1. Основные характеристики оптического излучения

Спектральная характеристика – зависимость спектральной плотности мощности излучения I(λ) [Вт/мкм] от длины волны.

Спектральная плотность мощности ­– мощность, отнесенная к единице спектрального интервала, в котором происходит излучение

Основные параметры спектральной характеристики – центральная (средняя) длина волны λ₀, ширина спектра Δλ и форма характеристики.

Ширину спектра излучения характеризуют степенью монохроматичности. В случае спектральной линии степень монохроматичности μ равна:

,

Если λ/ λ₀ = 0, то излучение идеально монохроматично, если λ/ λ₀ <<1, то излучение называют квазимонохроматическим.

Поляризация

Поляризованное излучение – это излучение с некоторым преимущественным направлением колебаний вектора электрического поля.

Степень поляризации определяется по формуле

,

где I_d и I_i – максимальная и минимальная интенсивности пучка при вращении анализатора.

Когерентность

Когерентность характеризует согласованность между фазами колебаний электромагнитного излучения источников. Если эта согласованность наблюдается в различных точках пространства в один и тот же момент времени, то это пространственная когерентность. Согласованность между фазами колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты времени называется временной когерентностью. Основные понятия теории оптической когерентности можно рассмотреть на примере простых интерферометрических опытов.

а) б)

Рис. 1. Схема эксперимента с интерференцией на двух щелях (пространственная когерентность) (а) и схема эксперимента с интерферометром Маха-Цендера (временная когерентность) (б)

Согласование фаз, т.е. когерентность двух источников, характеризуется степенью взаимной когерентности и определятся через видимость (контрастность) интерференционной картины

,

где I_макс и I_мин – максимальная и минимальная интенсивность в интерференционной картине.

2. Принцип работы оптического квантового генератора.

Оптическими квантовыми генераторами (или лазерами) называются приборы, в которых используется явление вынужденного излучения для генерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.

Понятие вынужденного излучения.

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из атомов одного сорта. В энергетическом спектре атомов выделим два уровня с энергиями E₁ и E₂. Между выделенными уровнями возможны оптические переходы трех типов: спонтанные переходы с излучением, переходы с поглощением света, вынужденные переходы с излучением. Частота испускаемого (поглощаемого) при этом кванта равна

где h = 6,63∙10^-27 эрг∙сек = 6,63∙10^-34 Дж∙сек – универсальная постоянная Планка.

а) б) в)

Рис. 3. Типы квантовых переходов:
а) спонтанное излучение; б) резонансное поглощение; в) вынужденное излучение

В случае вынужденного излучения фотон вынуждает, стимулирует процесс перехода с высшего уровня на низший (рис. 3в). Отсюда название этого процесса – вынужденное, или стимулированное излучение. Особенностью вынужденных переходов является то, что испускаемый квант (фотон) имеет такую же частоту, направление распространение и поляризацию, что и внешний, стимулирующий процесс, фотон.

В условиях термодинамического равновесия всегда N₁ > N₂. Для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невозбужденном состоянии, т.е. должно иметь место соотношение N₂ > N₁, т.е. должна быть так называемая инверсия населенности энергетических уровней. Для этого надо к данному веществу, называемому рабочим (активным) веществом, подводить тем или иным способом энергию, вызывающую возбуждение атомов.

Для генерации лазерного излучения необходимы три условия:

1) необходима активная среда, способная обеспечить эффективное протекание вынужденного излучения;

2) наличие источника энергии, обеспечивающего возбуждение активной среды (накачки), которое создает инверсию населенностей энергетических уровней;

3) наличие оптического резонатора, создающего положительную обратную связь

Рис. 2. Структурная схема оптического квантового генератор (лазера).

Активная среда – это вещество, которое находится в состоянии инверсной населенности энергетических уровней. Процесс возбуждения активного вещества, приводящий к возникновению инверсной населенности, называют накачкой.

Коэффициент поглощения в таком веществе является отрицательной величиной. Отрицательность коэффициента поглощения означает, что вещество в инверсном состоянии способно усиливать падающее на него излучение, т. е. может служить оптическим квантовым усилителем.

Для превращения оптического усилителя в оптический квантовый генератор, или лазер необходимо обеспечить положительную оптическую обратную связь достаточной величины. Такая положительная обратная связь создается путем помещения активного вещества в открытый оптический резонатор, образованный двумя параллельными зеркалами

3. Классификация и основные характеристики лазеров.

Лазеры классифицируются по следующим признакам: агрегатному состоянию лазерного вещества (на газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные); методу накачки (на газоразрядные, инжекционные, с оптической накачкой, химические и др.); временному режиму генерации (на непрерывные, импульсные, импульсно-периодические); частотному режиму генерации (на одно- и многомодовые, одночастотные)

Основные характеристики лазеров.

1. Энергетические: мощность излучения Р для непрерывных лазеров; энергия излучения Е для импульсных; средняя мощность Р_ср для импульсно-периодических лазеров.

2. Пространственно-энергетические: диаметр и расходимость лазерного излучения; диаграмма направленности; распределение интенсивности в поперечном сечении.

3. Временные: длительность импульса t_и; частота повторения f.

4. Спектральные: длина волны  излучения; ширина спектра излучения (по уровню 0,5) ; модовый состав излучения.

4. Газовые (газоразрядные) лазеры. Принцип действия гелий-неонового лазера.

В газовых лазерах активной средой являются газы, их смеси и пары металлов. В большинстве случаев инверсная населенность создается в газовом разряде. Основные типы газовых лазеров: атомарные, ионные, молекулярные, химические, газодинамические, эксимерные.

Атомарные газоразрядные лазеры

Активной средой атомарных ГРЛ служат инертные газы и их смеси, а также пары некоторых металлов. Лазерными уровнями являются энергетические уровни нейтральных атомов, возбуждаемых в газовом разряде.

Типичным представителем этой группы лазеров является гелий-неоновый лазер. Активным веществом является смесь Не и Ne. В зависимости от режима работы, конструкции и габаритных размеров мощность излучения составляет от 0,1 до неск. 100 мВт при KПД от тысячных до сотых долей процента. Расходимость излучения 0,5-1 мрад.

Рис. 3. Принципиальная схема гелий-неонового лазера: 1- газоразрядная трубка; 2 – электроды; 3 – выходные окна; 4 – «глухое» зеркало; 5 – частично прозрачное зеркало.

Рис. 4. Диаграмма энергетических уровней гелий-неонового лазера.

I – заселение верхних уровней Не в разряде при электронном ударе;
II – заселение уровней Ne при неупругом столкновении с возбужденными атомами He; III – избирательная релаксация; IV – обеднение уровней Ne при их соударениях со стенками разрядной трубки.

5. Полупроводниковые лазеры и светодиоды

Полупроводниковые лазеры подразделяются на три группы: а) инжекционные, накачка в которых осуществляется пропусканием электрического тока через р-n переход; б) лазеры с электронным возбуждением , в которых р-n переход бомбардируется быстрыми электронами, в) стримерные ППЛ с электрическим разрядом.

Наиболее широко в системах связи используются инжекционные лазеры – лазерные диоды (ЛД, LD) и светодиоды.

В основе работы п/п светодиодов и лазеров лежит явление инжекционной люминесценции - это свечение тонкого слоя полупроводника вблизи p-n-перехода, включенного в прямом направлении. В ее основе лежат инжекция неосновных носителей заряда через p-n-переход и последующая их рекомбинация с основными носителями заряда.

Рис. 5. Схема энергетических зон в p-n переходе в отсутствии поля (а) и с полем, приложенном в проводящем направлении (б).

E _Fn и E _Fp – квазиуровни Ферми для электронов и дырок

В равновесных условиях электроны и дырки не могут рекомбинировать друг с другом, так как они пространственно разделены энергетическим барьером высотой eUc , где e - заряд электрона, Uc - контактная разность потенциалов. При включении p-n-перехода в прямом направлении полярность напряжения обратна полярности Uc . При этом высота барьера снижается до величины e(Uc -U ).

Если e(Uc –U ) ≤kT , то энергии теплового движения оказывается достаточно для проникновения электронов в p-область структуры, а дырок в n-область.

Итак, в основе инжекции лежит тепловая диффузия электронов и дырок при снижении потенциального барьера на p-n-переходе.