КОЭ (1084716), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Недостатками являются: а)малость поперечных размеров моды и, как следствие, малость используемого объема активного вещества; б) внесение дополнительных потерь в основную моду.

В мощных лазерах, где необходимо применение большого объема активного вещества, эффективным средством селекции поперечных мод является переход к неустойчивым резонаторам. В неустойчивых резонаторах дифракционные потери даже основной моды велики и превосходят все остальные виды потерь. Именно это обстоятельство приводит к эффективному выделению основной моды.

В качестве примера на рис. 2.19, д и 2.19, е показаны два типа неустойчивых резонаторов.

Неустойчивые резонаторы подразделяются на два класса: резонаторы положительной области, для которых (1-L/R₁)(1-L/R₂)>1, и резонаторы отрицательной области, для которых (1-L/R₁)(1-L/R₂)<0

Неустойчивые резонаторы могут быть применены лишь в лазерах с большим показателем усиления. Это обусловлено необходимостью компенсации больших потерь излучения за один проход.

К достоинствам неустойчивых резонаторов относятся: а) возможность использования больших объемов активного вещества, что связано с отсутствием фокусировки излучения (гауссова сжатия) к оси резонатора; б) возможность эффективной селекции поперечных типов колебаний; в) возможность использования только отражающей оптики (например, металлических зеркал) как для создания резонатора, так и для вывода излучения, а также простота управления выводимой из резонатора энергии и достижения оптимальных условий вывода излучения.

Недостатком неустойчивых резонаторов является необходимость применения активныx сред с большим показателем усиления. Кроме того, поперечное сечение выходного пучка света в ближней зоне, как видно из рис. 2.19, е, имеет форму кольца (для круглых зеркал)

Получить на выходе плоскополяризованное излучение. Для этого достаточно внутрь резонатора ввести потери для одной из двух поляризаций. Например, достаточно поместить в резонатор прозрачную плоскопараллельную пластинку под углом Брюстера к его оси. Такие «окна Брюстера» практически всегда используются в газовых лазерах. В твердотельных лазерах на диэлектриках часто существует анизотропия оптических свойств самого активного вещества.

Грубая перестройка частоты (длины волны) излучения осуществляется с помощью дисперсионной оптической системы, состоящей из призмы или решетки, аналогично жидкостным лазерам.

Спектр спонтанной люминесценции красителя: (флуоресценции), определяется взаимным расположением термов S₁ и S₀ и требованием выполнения принципа Франка — Кондона для квазиравновеснозаселенных колебательно-вращательных уровней этих термов. При помещении красителя в резонатор и достижении условия самовозбуждения начинается лазерная генерация на частоте, определяемой свойствами как -самого красителя, так и резонатора. Наибольший интерес лазер на органическом красителе представляет как генератор с перестраиваемой длиной волны. Для осуществления этой возможности необходимо применять высокодобротный селективный резонатор, собственную частоту которого можно было бы эффективно перестраивать.

Поглощение электромагнитного излучения твердым телом. В силу адиабатического приближения все процессы, приводящие к оптическому поглощению, можно разбить на две группы: 1) процессы, в результате которых энергия электромагнитного поля передается электронной подсистеме, 2) процессы, в результате которых энергия поля непосредственно передается решетке.

Наличие примесей и свободных носителей заряда в реальных кристаллах приводит к появлению дополнительного примесного поглощения и поглощения свободными носителями заряда. Поэтому различают следующие механизмы оптического поглощения в твердых телах: 1) фундаментальное поглощение; 2) решеточное поглощение; 3) примесное поглощение; 4) поглощение свободными носителями заряда.

26. Конструкции, схемы переходов и характеристики лазеров различны типов:

- Гелий-неоновый лазер.;- Твердотельные лазеры (рубиновый, с неодимом).;- Молекулярные лазеры на СО_2;He-Ne лазер

Раб. вещ. могут быть как обычные газы , так и пары различных веществ. У них весьма широкий спектральный диапазон работы, включая ультрафиолетовую, видимую, инфракрасную и субмиллиметровую области.

Газ обладает высокой оптической однородностью. Вследствие слабого взаимодействия между активными частицами уширение уровней энергии в газах мало, а спектральные линии излучения — узкие. В газовых лазерах может быть достигнута относительная стабильность частоты излучения на уровне 10~¹³...10~¹⁴. С другой стороны, узость спектральных линий не дает возможность получать в газовых лазерах сверхкороткие импульсы света и перестраивать диапазон их работы.

Существуют различные методы накачки для создания инверсной населенности. По методам накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные, газодинамические и химические. В газовых лазерах может быть использована оп­тическая накачка, но для ее реализации необходимы источники излучения в узком спектральном интервале. Поэтому в газовых лазерах она неэффективна.

Наиболее широкое распространение получили газоразрядные лазеры, которые в свою очередь подразделяют на три группы: атомарные, ионные и молекулярные. Газовый разряд, как правило, создается непосредственно в самой активной среде.

И спользуют различные виды газовых разрядов: самостоятельный и несамостоятельный, импульсный и стационарный, дуговой и тлеющий, высокочастотный разряд и разряд на постоянном токе.

Рабочий элемент твердотельных лазеров выполнен из кристаллического или аморфного диэлектрика. При небольших габаритах они могут генерировать очень высокие импульсные мощности (вплоть до 10¹² Вт и более), очень короткие световые импульсы (до 10^-12 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт. Их накачка осуществляется оптическим путем. Для этого электрическая энергия с помощью специальных ламп накачки или с помощью полупроводниковых лазерных диодов пре­образуется в оптическое излучение, которое поглощается атома­ми активного вещества, переводя их в возбужденное состояние. Общий КПД твердотельных лазеров достигает 30% при накачке инжекционными лазерами.

Спектральный диапазон работы твердотельных лазеров ограничен оптической прозрачностью активной среды. С коротковолновой стороны он ограничен процессами собственного поглощения, а с длинноволновой — взаимодействием с колебаниями решетки. Поэтому твердотельные лазеры работают в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра Материалы, предназначенные для изготовления лазерных активных элементов с оптической накачкой, называемые активными диэлектриками. Эти материалы должны обладать: а) интенсивной флуоресценцией с квантовым выходом на рабочем переходе, близким единице; б) широкими полосами активного поглощения в области излучения источника накачки в) отсутствием потерь на частоте рабочего перехода.

Предъявляемым требованиям удовлетворяют активные диэлектрики, представляющие собой твердые растворы элементов с недостроенными внутренними электронными оболочками в различных кристаллических и аморфных матрицах.

Недостроенные внутренние электронные оболочки этих элементов хорошо экранированы валентными электронами от внешних воздействий. Поэтому при введении таких ионов в конденсированную среду не происходит коренной перестройки их энергетического спектра. Эти ионы, называемые активаторами, и являются собственно активными, в то время как кристаллическая или аморфная основа в большинстве случаев выполняет роль матрицы.

Молекулярные лазеры на СО₂

Энергетический спектр молекул значительно богаче, чем атомов и ионов, и может быть представлен тремя частями: электронной, колебательной и вращательной. Молекулярные газовые ла­зеры перекрывают наиболее широкий диапазон из всех других типов лазеров .

В зависимости от типа участвующих в генерации переходов молекулярные лазеры разделяют на три класса.

1. Лазеры на колебательно-вращательных переходах, эти лазеры работаютв среднем ИК-диапазоне (5... 100 мкм).

2. Лазеры на электронно-колебательных переходах, работают в видимой и ближней УФ-областях спектра.

3. Лазеры на чисто вращательных переходах, работают в далеком ИК-диапазоне (25... 1000 мкм).

Газоразрядные С0₂-лазеры. Лазеры на углекислом газе явля­ются наиболее важными газовыми лазерами. Это определяется тем, что СО ₂-лазеры:

а ) обладают очень высоким КПД;

б) способны генерировать исключительно большие мощности как в непрерыв­ном, так и в импульсном режиме

в) спектр их излучения совпадает с окном прозрачности атмосферы.

2 7. Межзонные оптические переходы в полупроводниках. Скорости спонтанных и вынужденных переходов. Коэффициент усиления излучения в полупроводнике за счет стимулированных переходов

При использовании светодиодов в системах передачи информации важной характеристикой является их быстродействие. Постоянная времени определяется как скоростью (вероятностью) излучательных переходов, так и электрическими характеристиками диода, в том числе постоянной RС-цепочки. Предельная частота работы GaAs-свето диодов зависит от уровня легирования активного слоя, как показано на рис. 9.16. Эта зависимость обусловлена уменьшением τ_изл при межзонной (или квазимежзонной) излучательной рекомбинации, вызванным увеличением n или р.

27. Инверсия населенности и спектр усиления в полупроводнике.

В p-n-переходе концентрация инжектированных неосновных носителей заряда не может превышать концентрацию этих же носителей в эмиттере. По этой причине для получения инверсии населенностей путем инжекции неосновных носителей заряда через такой p-n -переход необходимо, чтобы как минимум одна из областей p-n -перехода была вырожденной.

Это проиллюстрировано на рис. 9.2, где приведены диаграммы p-n -перехода в отсутствие смещения (рис. 9.2, а) и при максимально возможном смещении (рис. 9.2, б), соответствующем полному спрямлению энергетического барьера.

Д ля получения усиления необходимо путем внешнего воздействия (накачки) создать достаточно высокие концентрации неравновесных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Усиление есть отрицательное поглощение и вычисление спектральной зависимости показателя усиления сводится просто к вычислению спектральной зависимости показателя поглощения с учетом заселенности начальных и конечных состояний, а также с учетом вынужденного испускания. В каждой из зон за время порядка времени внутризонной релаксации устанавливаются квазиравновесные распределения свободных носителей заряда. Если все начальные состояния заняты, а конечные свободны, то вероятность поглощения фотона в единицу времени равна — групповая скорость потока фотонов в веществе. Если вероятность заселения нижнего состояния дыркой равна а верхнего — электроном — то вероятность поглощения фотона будет равна

Аналогичным образом, вероятность вынужденного испускания такого же фотона есть

Истинная скорость поглощения определяется разностью этих двух процессов, откуда получаем выражение для показателя поглощения:

(9.17)

Характеристики

Список файлов учебной работы