В.А. Алекшевич - Оптика (1120564), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Ïðè áåçûçëó÷àòåëüíîé ðåëàêñàöèè ÷àñòü81ýíåðãèè íàêà÷êè ïðåâðàùàåòñÿ â òåïëîâóþ, ïîýòîìó àêòèâíûé ýëåìåíò íåîáõîäèìî èíòåíñèâíî îõëàæäàòü.Ñóùåñòâóåò áîëüøîå êîëè÷åñòâî ìàòðèö, è ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè èîíîâ çàâèñÿò îò ñâîéñòâ ýòèõìàòðèö. Ñîîòâåòñòâåííî ïðè ñîçäàíèè ëàçåðîâ ïðèìåíÿåòñÿ áîëüøîå ÷èñëî àêòèâíûõ ñðåä.Ñàìûì ïåðâûì â ìèðå áûë ñîçäàí ðóáèíîâûéëàçåð (1961), àêòèâíûé ýëåìåíò êîòîðîãî ïðåäñòàâëÿë êðèñòàëë ñàïôèðà Al2O3, ñîäåðæàùèé 0,05 %èîíîâ Cr+. Êàê îòìå÷àëîñü ðàíåå, ïðè îñâåùåíèèÐèñ. 7.16ðóáèí ëþìèíåñöèðóåò ðîçîâûì ñâåòîì. Íà ðèñ. 7.16ïîêàçàíà ñõåìà òðåõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé èîíà Cr+.Ïðè ñâåòîâîé íàêà÷êå (óðîâåíü 3) âîçáóæäàþòñÿ øèðîêèå, íî êîðîòêîæèâóùèå óðîâíè ñ ýíåðãèÿìè W3¢ è W3². Çà âðåìÿ t3 ~ 10-8 ñ ïðîèñõîäèò áåçûçëó÷àòåëüíàÿ ðåëàêñàöèÿ íà óðîâåíü 2, âðåìÿ æèçíè êîòîðîãî âåñüìà âåëèêî: t2 ~ 10-3 ñ.Ïðè ïåðåõîäå ñ óðîâíÿ 2 íà óðîâåíü 1 èçëó÷àþòñÿ ñâåòîâûå êâàíòû ñ äëèíîéâîëíû 694,3 íì.Äëÿ íàêà÷êè ïðèìåíÿþòñÿ èìïóëüñíûå ãàçîðàçðÿäíûå ëàìïû, äàþùèåâñïûøêó áåëîãî ñâåòà äëèòåëüíîñòüþ tâ ~ 10-3 ñ.
Çà ýòî âðåìÿ ÷åðåç ëàìïóðàçðÿæàåòñÿ áàòàðåÿ êîíäåíñàòîðîâ åìêîñòüþ C ~ 10-3 Ô, çàðÿæåííàÿ äî íàïðÿæåíèÿ U ~ 1 êÂ. Ïðè ðàçðÿäå áàòàðåè ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü ñîñòàâëÿåòâåëè÷èíó Pýë ~ CU 2/tâ ~ 106 Âò. ×àñòü ýòîé ìîùíîñòè (îêîëî 15 %) èäåòíà âîçáóæäåíèå ðóáèíà: äëÿ 1 ñì3 ñâåòîâàÿ ìîùíîñòü äîëæíà áûòü ~ 2 êÂò.Óñèëåíèå çà îäèí ïðîõîä çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ÷åì ó ãàçîâûõ ëàçåðîâ (G0L ? 1).Ïîýòîìó âûõîäíîå çåðêàëî ðåçîíàòîðà äîñòàòî÷íî ïðîçðà÷íîå (R2 » 0,3 0,4).×åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ ïîñëå íà÷àëà âñïûøêè, êîãäà íàêîïèòñÿ äîñòàòî÷íàÿ èíâåðñèÿ çàñåëåííîñòè, íà÷íåò ãåíåðèðîâàòüñÿ èìïóëüñ äëèòåëüíîñòüþt0 ~ 10-6 ñ.
Åãî ýíåðãèÿ W ~ 1 Äæ, ïîýòîìó ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü èìïóëüñàP ~ W/t0 ~ 106 Âò. äåéñòâèòåëüíîñòè ýòîò èìïóëüñ ñîñòîèò èç ñëåäóþùèõ äðóã çà äðóãîì èìïóëüñîâ (ïè÷êîâ) äëèòåëüíîñòüþ êàæäîãî ~ 10-8 10-9 ñ. Êàæäûé ïè÷îê ðåçóëüòàò êðàòêîâðåìåííîãî îïóñòîøåíèÿ âåðõíåãî óðîâíÿ ïðè íàðàñòàíèè èíòåíñèâíîñòè â ðåçîíàòîðå. Òàêîé ðåæèì ðàáîòû ëàçåðà íàçûâàþò ðåæèìîì ñâîáîäíîé ãåíåðàöèè, èëè ïè÷êîâûì ðåæèìîì.Ïîñêîëüêó ïðè áåçûçëó÷àòåëüíîé ðåëàêñàöèè àêòèâíûé ýëåìåíò íàãðåâàåòñÿ, âðåìÿ æèçíè t2 óìåíüøàåòñÿ, è óñëîâèÿ ãåíåðàöèè óõóäøàþòñÿ.
Ïîýòîìóàêòèâíûé ýëåìåíò íåîáõîäèìî îõëàæäàòü. Ïðè âîçäóøíîì îõëàæäåíèè èíòåðâàë ìåæäó èìïóëüñàìè äîëæåí áûòü íå ìåíåå íåñêîëüêèõ ìèíóò. Ïðè áîëååñèëüíîì òåïëîîòâîäå (íàïðèìåð, âîäÿíîì îõëàæäåíèè) ÷àñòîòà ïîâòîðåíèÿèìïóëüñîâ ìîæåò áûòü óâåëè÷åíà äî íåñêîëüêèõ èìïóëüñîâ â ñåêóíäó.Ìîùíîñòü èìïóëüñà ìîæíî óâåëè÷èòü, åñëè óäëèíèòü êðèñòàëë (äî îïðåäåëåííîãî ïðåäåëà, îáóñëîâëåííîãî íàñûùåíèåì óñèëåíèÿ), ïîâûñèòü åãî êà÷åñòâî, óñèëèòü íàêà÷êó. Ýòèì ìåòîäîì óäàåòñÿ ïîâûñèòü ýíåðãèþ W (à ñëåäîâàòåëüíî, è ìîùíîñòü P ) íà ïîðÿäîê.Îäíàêî ìîùíîñòü ìîæíî óâåëè÷èòü íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ, åñëè ðàäèêàëüíî ñîêðàòèòü äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà.
Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò ìåòîä ìîäóëÿöèèäîáðîòíîñòè ðåçîíàòîðà ëàçåðà. Èäåÿ ìåòîäà ñîñòîèò â çàäåðæêå íà÷àëà ãåíåðà82öèè, ÷òîáû íàêîïèòü çíà÷èòåëüíóþ èíâåðñíóþ çàñåëåííîñòü.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå îíà ðàñòðà÷èâàåòñÿ íà ãåíåðàöèþ ïè÷êîâ.Äëÿ ýòîãî â íà÷àëå âñïûøêè ëàìïû íàêà÷êè äîáðîòíîñòü ðåçîíàòîðà èñêóññòâåííî ñíèæàþò, à çàòåì áûñòðî ïîâûøàþò.
Òàêîé ðåæèì ðàáîòû ëàçåðà íàçûâàþò ðåæèìîì ñ ìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòüþ. Ýòî ìîæíî îñóùåñòâèòüðàçíûìè ñïîñîáàìè.Íà çàðå ñîçäàíèÿ èìïóëüñíûõ ëàçåðîâ îäíî çåðêàëî ðåçîíàòîðà âðàùàëèñ áîëüøîé óãëîâîé ñêîðîñòüþ (~ 500 îá/ñ) âîêðóã îñè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé îñèðåçîíàòîðà.  òîò ìîìåíò êîãäà çåðêàëî ñòàíîâèëîñü ïåðïåíäèêóëÿðíî îïòè÷åñêîé îñè ðåçîíàòîðà, äîáðîòíîñòü äîñòèãàëà ñâîåãî ìàêñèìóìà. Ïðàêòè÷åñêè âýòîò ìîìåíò íà÷èíàëàñü ãåíåðàöèÿ, êîòîðàÿ ïðîäîëæàëàñü â òå÷åíèå t0 ~ 10-8 ñ.Çà ýòî âðåìÿ çàñåëåííîñòü âåðõíåãî óðîâíÿ, íàêîïëåííàÿ îò íàêà÷êè, èñòîùàëàñü, è ãåíåðàöèÿ ïðåêðàùàëàñü. íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ ìîäóëÿöèè äîáðîòíîñòè èñïîëüçóþòñÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêèå è àêóñòîîïòè÷åñêèå ìîäóëÿòîðû ñâåòà, ïðèíöèïû ðàáîòû êîòîðûõ áóäóòðàññìîòðåíû â ïîñëåäóþùèõ ëåêöèÿõ.Ïðè ìîäóëÿöèè äîáðîòíîñòè ýíåðãèÿ èìïóëüñà íåñêîëüêî ñíèæàåòñÿ (ïîñðàâíåíèþ ñ ðåæèìîì ñâîáîäíîé ãåíåðàöèè), íî ñèëüíî ñîêðàùàåòñÿ äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà (äî äåñÿòêà íàíîñåêóíä).
À ýòî ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü ìàêñèìàëüíîé (ïèêîâîé) ìîùíîñòè P ~ 100 ÌÂò.Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè íåîäèìîâûå ëàçåðû.  òàêîì ëàçåðå èîíûíåîäèìà Nd3+ èìïëàíòèðîâàíû â ñòåêëî. Êâàíòîâûå ïåðåõîäû èîíîâ îñóùåñòâëÿþòñÿ ïî ÷åòûðåõóðîâíåâîé ñõåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 7.15. Äëèíà âîëíûèçëó÷åíèÿ (l = 1,06 ìêì) íàõîäèòñÿ â ÈÊ-äèàïàçîíå, ïîýòîìó ëó÷ ëàçåðà ãëàçîì íå âèäåí.Ýòîò ëàçåð òàêæå ìîæåò ðàáîòàòü êàê â ïè÷êîâîì ðåæèìå, òàê è â ðåæèìå ñìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòüþ. Èñïîëüçóÿ äëèííûå àêòèâíûå ñòåêëÿííûå ýëåìåíòû (L ~ 1 ì), â ïîñëåäíåì ñëó÷àå óäàåòñÿ äîñòè÷ü ýíåðãèè èìïóëüñà W ~ 50 Äæïðè äëèòåëüíîñòè t0 ~ 30 íñ.
Ïèêîâàÿ ìîùíîñòü èìïóëüñà P ~ W/t0 ~ 109 Âò.Áîëüøåé ýíåðãèåé èìïóëüñà îáëàäàåò ëàçåð, àêòèâíûé ýëåìåíò êîòîðîãîïðåäñòàâëÿåò ñòåðæåíü èç èòòðèé-àëþìèíèåâîãî ãðàíàòà (YAG) ñ èìïëàíòèðîâàííûìè èîíàìè Nd3+. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âðåìÿ æèçíè â âîçáóæäåííîìñîñòîÿíèè ó èîíîâ â ýòîé ìàòðèöå óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü áîëüøåéèíâåðñíîé çàñåëåííîñòè è, ñëåäîâàòåëüíî, êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ.YAG Nd3+-ëàçåð ìîæåò ðàáîòàòü êàê â èìïóëüñíîì, òàê è êâàçèíåïðåðûâíîì ðåæèìàõ.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå èñïîëüçóåòñÿ íåïðåðûâíàÿ íàêà÷êà. Ëàçåðãåíåðèðóåò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ ñ ÷àñòîòîé ñëåäîâàíèÿ, äîñòèãàþùåé âåëè÷èíû ~ 10 êÃö. Îíà îïðåäåëÿåòñÿ ÷àñòîòîé ìîäóëÿöèè äîáðîòíîñòèðåçîíàòîðà, êîòîðàÿ ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîîïòè÷åñêèõè àêóñòîîïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ ñâåòà.Âíåøíèé âèä YAG Nd3+-ëàçåðà (ÈËÒÈ-205), èñïîëüçóåìîãî â ó÷åáíîìïðîöåññå íà êàôåäðå îáùåé ôèçèêè è âîëíîâûõ ïðîöåññîâ, ïðåäñòàâëåííà ðèñ.
7.4 öâ. âêë.  ðåçîíàòîðå ýòîãî ëàçåðà ó ïðàâîãî çåðêàëà íàõîäèòñÿ àêóñòîîïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðèñòàëë êâàðöà ñî ñêîøåííîéíèæíåé ãðàíüþ.  ýòîì êðèñòàëëå ïîïåðåê ïó÷êà ñâåðõó âíèç ìîæåò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ áåãóùàÿ àêóñòè÷åñêàÿ âîëíà ñ ÷àñòîòîé 50 ÌÃö. Îíà âîçáóæäàåòñÿïüåçîýëåìåíòîì, ïðèêðåïëåííûì ê âåðõíåé ãðàíè êðèñòàëëà è ïèòàåìûìîò ãåíåðàòîðà âûñîêîé ÷àñòîòû.83Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè ýòîé âîëíû â êðèñòàëëå âîçíèêàþò êîëåáàíèÿ ïëîòíîñòè è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ. Ñêîøåííîñòü ãðàíè ïîçâîëÿåò ïðåäîòâðàòèòü îáðàçîâàíèå ñòîÿ÷åé àêóñòè÷åñêîé âîëíû. Èç-çà äèôðàêöèèíà áåãóùèõ âíèç íåîäíîðîäíîñòÿõ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñâåò óñèëèâàòüñÿíå áóäåò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äîáðîòíîñòü ðåçîíàòîðà íåâåëèêà. Åñëè âíåçàïíîîòêëþ÷èòü ïüåçîýëåìåíò îò ãåíåðàòîðà, òî äîáðîòíîñòü ðåçîíàòîðà ðåçêî âîçðàñòåò. îïèñûâàåìîì ëàçåðå îñóùåñòâëÿåòñÿ èìïóëüñíàÿ íàêà÷êà îò ëàìïû.
Ìîäóëÿöèÿ äîáðîòíîñòè îñóùåñòâëÿåòñÿ ñèíõðîííî ñ íàêà÷êîé ÷àñòîòîé 2,5 Ãö. Ðîâíîñ òàêîé æå ÷àñòîòîé ëàçåð ãåíåðèðóåò èìïóëüñû, äëèòåëüíîñòü êàæäîãî èç êîòîðûõ ðàâíà 10 íñ, à ìàêñèìàëüíàÿ ìîùíîñòü îêîëî 10 êÂò.Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû.  ýòèõ ëàçåðàõ â êà÷åñòâå àêòèâíîé ñðåäû èñïîëüçóþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå êðèñòàëëû. Êâàíòîâûå ïåðåõîäû ïðîèñõîäÿòìåæäó ðàçðåøåííûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè çîíàìè êðèñòàëëà.Ïðè ðåêîìáèíàöèè ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè è äûðîê â ïîëóïðîâîäíèêàõâûñâîáîæäàåòñÿ ýíåðãèÿ, êîòîðàÿ ìîæåò èñïóñêàòüñÿ â âèäå êâàíòîâ èçëó÷åíèÿ (ëþìèíåñöåíöèè) èëè ïåðåäàâàòüñÿ êîëåáàíèÿì êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè (ïåðåõîäèòü â òåïëî).
Äëèíà âîëíû l èçëó÷åíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ øèðèíîé DW3çàïðåùåííîé çîíû ïîëóïðîâîäíèêà: l » hc/DW3.Äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ëþìèíåñöåíöèè íåîáõîäèìî âîçáóæäàòü (íàêà÷èâàòü)êðèñòàëë, ÷òîáû îáðàçîâûâàëèñü èçáûòî÷íûå ýëåêòðîííî-äûðî÷íûå ïàðû. Ïðèìàëîé ñêîðîñòè îáðàçîâàíèÿ èçáûòî÷íûõ ïàð èçëó÷àòåëüíàÿ ðåêîìáèíàöèÿíîñèò ñïîíòàííûé õàðàêòåð, ÷òî èìååò ìåñòî â ñâåòîèçëó÷àþùèõ äèîäàõ,ïîëó÷èâøèõ øèðîêîå ïðèìåíåíèå â êà÷åñòâå êîìïàêòíûõ è ýêîíîìè÷íûõèñòî÷íèêîâ ñâåòà.Äëÿ óñèëåíèÿ ñâåòà â ïîëóïðîâîäíèêå íåîáõîäèìî ñîçäàòü èíâåðñíóþ çàñåëåííîñòü: çîíà ïðîâîäèìîñòè âáëèçè åå äíà äîëæíà áûòü çàïîëíåíà ýëåêòðîíàìè â áîëüøåé ñòåïåíè, ÷åì âàëåíòíàÿ çîíà âáëèçè åå ïîòîëêà. ïîëóïðîâîäíèêîâîì ëàçåðå ïðèìåíÿþò ðàçëè÷íûå ñïîñîáû íàêà÷êè: èíæåêöèÿ íîñèòåëåé òîêà ÷åðåç pn-ïåðåõîä èëè ãåòåðîïåðåõîä, íàêà÷êà ïó÷êîìáûñòðûõ ýëåêòðîíîâ, îïòè÷åñêàÿ íàêà÷êà, íàêà÷êà ïðè ïðîáîå â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå.Íàèáîëåå øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èë ïåðâûé ñïîñîá íàêà÷êè.
Ëàçåðû ñ òàêîé íàêà÷êîé íàçûâàþòñÿ èíæåêöèîííûìè ëàçåðàìè.Íà ðèñ. 7.17 ïîêàçàíî óñòðîéñòâî èíæåêöèîííîãî ëàçåðà íà pn-ïåðåõîäå.Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëóïðîâîäíèêîâûéiäèîä, ÷åðåç êîòîðûé â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè+Поверхность(îò p ê n) òå÷åò ýëåêòðè÷å ñêèé òîê i.сколаÇàøòðèõîâàíî ñå÷åíèå îáëàñòè âáëèçè pn- pïåðåõîäà, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò ãåíåðàöèÿnñâåòà. Ó êðèñòàëëà èìåþòñÿ äâå ïëîñêîïàðàëëåëüíûå ïîâåðõíîñòè (îáðàçîâàííûå ñêîëîìêðèñòàëëà), âûïîëíÿþùèå ðîëü çåðêàë ðåçîíàòîðà. Ïîýòîìó îí åùå íàçûâàåòñÿ ëàçåðíûìäèîäîì.Èç-çà áîëüøîãî çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåÐèñ.
7.17ëîìëåíèÿ êðèñòàëëà êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ84ïîâåðõíîñòåé ìîæåò äîñòèãàòü âåëè÷èí ~ 20 40 %. Èíâåðñèÿ çàñåëåííîñòèâîçíèêàåò ïðè ïëîòíîñòè òîêà ~ 1 êÀ/ñì2.Èíæåêöèîííûå ëàçåðû ðàáîòàþò â èìïóëüñíîì ðåæèìå ñ âûõîäíîé ìîùíîñòüþ äî 100 Âò è â íåïðåðûâíîì ðåæèìå ñ ìîùíîñòüþ áîëåå 10 Âò (GaAs)â áëèæíåé ÈÊ-îáëàñòè (l = 850 íì) è îêîëî 10 ìÂò (PbxSn1-xTe) â ñðåäíåéÈÊ-îáëàñòè (l = 10 ìêì).Ê äîñòîèíñòâàì ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñëåäóåò îòíåñòè âûñîêóþ ýôôåêòèâíîñòü (äî 50 %) ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè â ñâåòîâóþ,ïðîñòîòó êîíñòðóêöèè, âîçìîæíîñòü áûñòðîé (äî ÷àñòîò 10 ÃÃö) ìîäóëÿöèèèíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, íàëè÷èå áîëüøîãî ÷èñëà ïîëóïðîâîäíèêîâ(àêòèâíûõ ñðåä), íåïðåðûâíî ïåðåêðûâàþùèõ äèàïàçîí äëèí âîëí îò 0,32äî 32 ìêì.Íåäîñòàòîê ñîñòîèò â áîëüøîé øèðèíå ëèíèè èçëó÷åíèÿ, ïîñêîëüêó âåëèêà÷àñòîòíàÿ øèðèíà dnð ìîäû òàêîãî ñâåðõêîðîòêîãî, à ïîòîìó íèçêîäîáðîòíîãîðåçîíàòîðà (ñì.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
