Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Для Яс 3 ° ГОМ с ', гла= 8%, е = чр О,б, н= 0,8 выходная мощность лазерного излучения в непрерывном режиме р „9! кнт. 6.7. Химические лазеры Химическим называется такой лазер, в котором лазерное излучение нозиикает в результате неравновесного распределения химической энергии среди продуктов екзотермнческих быстропротекающнх реакций непосредственно в реакторе 1241. Химические соединения — богатые накопители знергни. Эта знергня высвобождается прн перестройке химических связей, когда реализуется генерация за счет 1бб гга Р+Н Нгз+ Н; Н+ Р, НГа+Г; г+н нг +н; 166 167 Рис.
8.12. Схема конструкции химического лазера (а) и оптико-физическая схема жидкостного лазера (б): а! ! — нагреватель; 8 — инжектор; 8 — окно Вркжтера; б — лазерное нзлученне; 5 — зер- кала резонатора; б — выход отрабоганноа смеси; 7 — тенлообменннк; б! ! — лазерное нзлученне накачнк; 8, 8, 5 — зеркала; б — органнчеснна краситель; б— селектор,' 7 — отражатель резонатора; 8 — резервуар дл» сбора жндкосгн колебательно-вращательных квантовых переходов в молекулах Н„ Р„ С1,, С,Н,, В„ СО,, В химических лазерах чаще всего используются реакции замещейня, для нйициирования которых и получения химических активных реагентов (Р, Н, С1) необходимо затратить извне некоторую энергию.
Инициирование производится фотодиссоциацией, диссоциацией, электронным пучком, импульсом электрического разряда, теплом. Быстропротекающие реакции типа: Н+ С! НС1*+ С1+ ЛЕ; Р+ 1-!з ' 1.!Р*+В+ 75Е приводят к лазерному излучению самих реагентов либо передают энергию возбуждения иа высвечивание других молекул, обеспечивая быстрое заселение верхнего метастабильного уровня энергии высвечивающихся молекул.
Для получения энер. гни накачки используется и другой тип химических реакций, носящих цепной характер: В этих реакциях активный реагент быстро воспроизводится в ходе реакции Конструкция химического лазера подобна газодинамическому лазеру (см. рис. 8.11, б).
Поток газа-носителя, не участвующего в реакции, проходит во!о систему (рис. 8.12, а). Реагент (фтор) добавляется к газу-носителю. Дейтерий подается через ре!петку инжекторов. Реакция происходит между зеркалами оптического резонатора. Пучок лазерного излучения формируется ортогонально к потоку газа. У химических лазеров следующие достоинства: более высокая выходная мощность с единицы объема активной среды как в импульсном, так и в непрерывном режимах; прямое преобразование химической энергии в энергиго оптического излучения, следовательно, более высокий к. и.
д.; большее значение энергии в импульсе. Например, лазер на РН* генерирует импульсы с энергией 4200 Дж 1241. Нижняя граница диапазона длин волн генерации ачистов химических лазеров на (Р + Рд составляет 3 мкм, к. п. д, — 12 вб, пиновая мощность — 476 Вт. Фотохимический йодный лазер генерирует мощность 1,2 ГВт на длине волны )зв = = 1,31 мкм. Глава 9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ 9.4.
Основные фмзичесмме процессы в попупроводнмиовой активной среде Возможность использования полупроводниковых материалов в качестве активной среды давно привлекает к себе внимание физиков и инженеров. И это неудивительно, так как полупроводники имеют высокую чувствительность к внешним воздействиям.
Их свойствами можно управлять в очень широких пределах, изменяя температуру или давление, воздействуя на ннх светом или потоком заряженных частиц, вводя различные примеси. Основы теории полупроводниковых лазеров впервые изложены в публикациях Н. Г. Басова, Б. М. Вула, )О. М. Попова, задолго до появления в 1962 г.
первого лазера на арсениде галлия [13). В настоящее время создано большое количество полупроводниковых лазеров разных типов, охлаждаемых и неохлаждаемых с различными схемами возбуждения, на разных материалах Хп5, Хпб, Хп5е, Сд5, СдТе, ба5е, баТе, баАз, баАз5,5Ь„, А1!,ба,Аз, баБЬ, РЬБ, РЬБе, РЬТе, 1пБЬ, 1пАзг,$Ь„и т. д. Эти лазеры перекрывают значительный диапазон длин волн, от ультрафиолета до дальней инфракрасной области: 0,33; 0,37; 0,46; 0,49; 0,53; 0,59; 0,63...0,69; 0,78; 0,83...0,91; 0,9...1,5; 1,01...1,55; 2,1; 3,1; 3,!...5,4; 3...15; 4,3; 5,2; 6,5; 8,5; 8...31,2 мкм и т. д.
Большим их достоинством являются малые размеры и высокий к. п. д. Полупроводниковые лазеры из-за особенностей энергетической структуры активной среды существенно отличаются от лазеров других типов. Специфика процессов генерирования излучения в таких лазерах во многом обусловлена системой энергетических уровней. В отличие от идеальных атомов и молекул полупроводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими полосамн — зонами энергетических состояний.
Разрешенные зоны отделены одна от другой запрещенными зонами (рис. 9,1, а). В полупроводнике, подвергнутом нагреву, облучению или пропусканию тока, электроны валентной зоны, поглощая энергию, сообщаемую извне, приобрета1ст способность преодолевать запрещенную зону и переходить в более высокую энергетическую зону — зону проводимости. В результате этого образуются пары носителей заряда: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, что приводит к электронно-дырочном проводимости. Возможен, очевидно, и обратный переход электронов возбужденного атома на более низкий ! ~в [йЯг )Я' г:г га-а е г "сена мЬда- меоеи с г, емевнве еенй далевы вена г ! а ем.
Для усиления света необходимо создать особые условия, при котор рых концентрация электронов вблизи «дна» зоны проводимости Е, б б болыце их концентрации вблизи «потолка» валентн " ой зоны Е, ыла ы ент. е. М, .р ))[„. В этих условиях число актов спонтанной и еынужд ной рекомбинации будет преобладать над числом актов поглощения и произойдет усиление света.
Условие Аг,) ))[, выполняется при наступлении в полупроводнике так называемого вырождения, т. е. такого состояния, при котором все уровни в нижней части зоны проти валентной зоны— водимости занятыэлектронами или в верхней час дырками. ееаеме ~ гяз Ес Рис. 9.1. Энергетический спектр полупроводникового кристалла (а), прямые и непрямые переходы в полупроводнике (Е) и знергетическая схема р — л перехода вырожденного полупроводника баАз до и после вклгочения источника напряжения гге в прямом направлении (в): пг г — расстояние между атомами; г, З ° 1О а см — расстояние между атомами е твердом теле; Š— «дно» зоны прсасдимости; Е «потолок» налеитаой аоаы; аŠ— ширина аае с и рещеи ной зон ы; бе р — импульс, ссотеетстеуыщий колебаниям кристаллической реыетки энергетический уровень: из зоны проводимости в валентную зону.
В результате такого перехода пары электрон — дырка реколгбинируют, т. е. при заполнении электронами пустых мест (дырок) в валентной зоне электрон и дырка исчезают, выделяя избыточную энергию, полученную электронами извне в процессе возбуждения атома. Этот процесс длится примерно 1О 'е...10 "с. В естественных условиях при отсутствии каких-либо внешних воздействий на полупроводник электронно-дырочные пары возникают и рекомбинируют в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов, причем в полупроводнике устанавливается тепловое равновесие электронов и дырок. Оно характеризуется некоторым равновесным количеством электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Вероятность заполнения электроном любого уровня с энергией Е прн любой температуре Т как в валентной зоне, так и в зоне проводимости описывается функцией Ферми — Дирака г'р — о (Е) = (1 + ехр [(Š— )ь)/(еТ)[) (9.1) Ширина запрещенной зоны ЛЕ достигает в различных полупроводниках от 0,001 до 3 эВ.
В состоянии теплового равновесия число электронов в валентной зоне во много раз больше, чем в зоне проводимости. Поэтому при освещении полупроводника поглощение света преобладает над усилени- 168 Наи ысглий уровень ввергни рм до которого влек ро т иы плотно заполняют зону в е т онов. Ве оятиость заполнедимости называется рроеиела Ферми для вл к р .
р иия его электронами равна [р о (Е)а (! + ехр [( — р») ( Т) ) Š— /й Чем больше электронов попало в зону проводимости, тем выше расположен уровень Ферми, тем сильнее вырождение электронов в полупроводнике (см. рис , а . ( . . 9.1 а). Подобная же картина наблюдается и для ырок только в этом случае уровень Ферми для дырок р располо.
д р жен в валентной зоне и с увеличением числа д р у ы ок оп скается все ниже и ниже. Функция вероятности заполнения уровней дырками имеет вид гр о (Е) и — — 1 — г'е о (Е),. (9.2) П оведем элементарный анализ вероятности заполнения энергетического уровня электронов р, и дырок ра при раз роведем элемента ный п и азличных температурах и значениях энергии. 1. При температуреполупроводника Т = 0 Ки ) р,,'р о ( ), = = О, т. е. все состояния энергии Е ~ р, свободны. 2. ПРи Т = 0 К и Е ( Р, )р о (Е), = 1.
Это означает, что пРи температуре полупроводника Т = О К все состояния с энергией Е «( р,, заполнены, а уровни Е ) р, свободны. 3. П и Т ~ 0 К и Е = р, [р о (Е) = 0,5. Это означает, что притемпературе полупроводника Т ~= 0 К уровень р ри гни уровня, вероятность заполнения которого электронами равна О, . Если в полупроводнике одновременно вырождены электроны и дырки, то расстояние между уровнями Ферми для электронов р, и для дырок р больше, чем ширина запрещенной зоны, т. е. Это энергетическое состояние, необходимое для работы полупроводникового лазера, пр ринято называть инверсией населенностей уровней. Э из зоны проводимости могут перейти в валентную зону лектроны только на свободные уровни, лежащие в интервале от „ до рл, и.
Элект оны из валенткак остальные уровни уже заняты электронами. р ной зоны по той же причине практически могут перейти в зону проводимости только на уровни, лежащие выше уровня Ферми для электро- Т б о, если оказать на вырожденный полупроводник, энергия которого лежит в интервале Е,— Е, н Е ( р,— рю дополнительное воздействие, то такой полупроводник будет генерировать кванты излучения (фотоны). 169 Эти фотоны вызывают вынужденную рекомбинацию электронов из аоны проводимости в валентную зону. В этом случае рождаются фотоны, совпадающие по своим свойствам с первичными.
Такой полупроводник может усиливать излучение в полосе частот Лн = утих — ут!и Ширина этой полосы определяется степенью вырождения электронов и дырок полупроводника, т. е. расположением уровней ферми электронов и дырок и шириной его запрещенной зоны ЛЕ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
