Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 107
Текст из файла (страница 107)
Широко были поставлены исследования по изысканию штимальных конструкций газоразрядных трубок. оптических резонаторов, простых и ~адежных источников накачки ')ераые отечественные промышленные газовые лазеры были созданы в 1963 году и сразу ~ашли широкое применение в научных исследованиях и отдельных областях народного :озяйства. На базе первого газового лазера ОКГ-11 был создан лазерный визир ЛВ-1 для правления горнопроходческим щитом под землей.
В строительстве Останкинской теле)ашни применили лазерную осевую вертикаль, газовые лазеры использовались в первой ксперилзентальной оптической системе передачи телевизионных сигналов, а также в ли~ни телефонной связи. 1омимо лазеров непрерывного действия был создан ряд импульсных лазеров, мощных азовых одночасготных и высокостабильных лазеров.
Возник новый класс квантовых ~риборов — квинтовые оптические троскопьь обладающие высокой чувствительностью, ~ыстродействием и устойчивостью к механическим нагрузкам. 1ри всех своих достоинствах твердотельные и газовые лазеры имеют один существенный 'едостаток — коэффициент их полезного действия (КПд) не превышает нескольких про.ентов. И в этом плане весьма перспективным предсгавлялись полупроводниковые лазеы, КПД которых теоретически мог быть близок к ста процентам.
1ервое теоретическое обоснование возможности создания полупроводникового лазеРа ыло сделано в 1958 году советскими физиками Н. Г. Басовым, Б. М Вулом и Э. М. Поповым. Однако новый класс лазеров был создан лищь в 1962 году. В первых аботах в качестве рабочего вещества бьп прилзенен арсенид галлия, а инверсная насееиность была достигнута путем инжекции электронов и дырок через р — п-переход. : 1963 года началось создание лазеров на р — и-переходе на ряде полупроводниковы~ атериалоа, что значительно расширило спектральный диапазон излучения такого типа азеров. Возможность прямой модуляции излучения путем изменения величины тока иа ачки, большое число методов накачки, высокий КПД вЂ” все это позволило широко ис ользовать полупроводниковые лазеры.
Потенциальные области применения полупро одникоаых лазеров лежат, прежде все~о, в создании устройств дальнометрии и высоте етрии, для автоматической посадки транспортных средств, устройств стыков~~ осмических объектов, в оптических линиях связи, в том числе и волоконных линиях св" к вычислительной техники. Полупроводниковые лазеры нашли широкое применен" оптоэлектронных устройствах. сследовання в области создания лазеров на новых принципах накачки, новых активнь' ~х шествах развертывались широким фронтом.
Появились сообщения о создании химина 509 Краткая историческая справка ского лазера, энергия излучения которого была получена за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции непосредственно в газовом реакторе. В Советском Союзе в )962 году Постановлением Совета М!инистров был создан !'осударственный союзный ИИИ № ЗЗЗ, основной задачей которого было лазерное приборосгроение для нужд народного хозяйства и обороны. Институт возглавил Митрофан Федорович Стельмах — видный специалист в области СВЧ-электроники. Учеными н иня!енерами ИИИ "Пол!ос" )ПИИ № 333) были выпуГцены десятки тысяч лазеров различных типов, разработаны лазерные технологии, опубликовано тысячи научных работ по квантовой электронике (рис.
4). Рис. 4. Президент Академии наук СССР академик А Г! Александров, директор НИИ "Полюс" М ах Стел~мах, академик А. М Прохоров у стенда (1977 г ) В течение последующих десятилетий появилась широкая гамма лазеров на нейтральных а~омах и ионизированных газах, молекулярные лазеры, импульсные СО,-лазеры высокого лавления, газодннамические лазеры на парах металлов н др. Внимание исследователей было обращено на жидкие активные среды, которые в определенной мере сочетают преимушества твердотельных и газоразрядных, в которых может быть достигнута высокая концентрация активных центров. Это позволило надеяться на получение большой вьподной энергии и мощности излучения с единицы объема рабочего вешества. Было предложено два класса жидких материалов -- мсталлоорганические, или хелатные, н неорганические жидкости, определившие конструкции и характеристики жидкостных лазеров.
В )963 году было опубликовано первое сообщение о работе жидкостного лазера. Жидкостные лазеры породили пояаленне лазеров на красителях. Появились мощные газодинамические лазеры, лазеры на парах металлов н, наконеп, лазеРы на своболных электронах. Сушествуюшне лазеры работают в диапазоне ллин волн оз ИО Часть яй Квантовая и оптическая электроника >акуумного ультрафиолета до субмиллиметрового диапазона.
Трудно назвать отрасл ,куки и техники, где бы не применялись лазеры и мазеры. ; числу наиболее важных достижений квантовой электроники является рождение в е, <одрах оптоэлектроники. э,яияческая электроника или оптоэлектроника является направлением а электроник , котором исследуются вопросы генерации, обработки и хранения информации на осло~ .
|реобразований электрических сигналоа в оптические (и наоборот), а также разработка |риборов и устройств на основе этих исследований. з основе оптоэлектроники лежат достижения квантовой электроники, такие как создание >азличных типов полупроводниковых лазеров и некогерентных светодиодов, генерирую. цих излучение в разных диапазонах оптического спектра, Одновременно в оптоэлектро- тике получило развитие направление, связанное с созланием фотоприемников излучения ;лагодаря достижениям квантовой и оптической электроники появились волоконно оптические системы связи, сотовая телефония, приборы и устройства интегральной опти ;и.
На повестке дня современной оптоэлектроники стоит задача создания экономичных юлупроводниковых источников света, способных заменить лампочки накаливания. занный перечень можно продолжить и указать заметные результаты, полученные благо- ~аря использованию лазеров и оптоэлектронных приборов в научных исследованиях, тех- юлогиях, системах связи и телекоммуникации, производстве, учебном процессе... 1. Физические основы квантовой электроники 1.1. Спонтанное и вынужденное излучение Кваишовая электроника является областью электроники, в которой исследуются явления генерации и усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения, явления нелинейного взаимодействия мощного излучения с веществом, а также возможность созлания квантовых электронных приборов и устройств — молекулярных генераторов (мазеров), квантовых генераторов (лазеров), усилителей, устройств нелинейного преобразования частот лазерного излучения.
В квантовой электронике используются физические явления, в которых основное участие принимают связанные элелтроны. Эти электроны входят в состав слезем из атомов, молекул, отдельных кристаллов, континуальных сред всех агрегатных состояний вещества. В соответствии с законами квантовой механики, энергия элелтрона, связанного в атоме, имеет ряд дискретных значений Е„Еь Еь Еь ... К„... Эти дискретные значения называются уровнями энергия. Весь набор разрешенных квантовой механикой уровней образует энергетический спектр атома.
Основным уровнем Е, назовем наименьший уровень. Все остальные уровни называются возбужденными. Переход связанных электронов с одного уровня на другой сопряжен с излучением или поглощением электромагнитной энергии, частота которой определяется соотношением: Лу„= !Е, — Ез, (1.1) где л-- постоянная Планка, зя — частота излучения (поглощения) при квантовом переходе с уровня Е, на уровень Ег Излучение и поглощение происходит отдельными порциями, квантами — фотонами: при поглощении фотона энергия атома увеличивается, при испускании фотона — уменьшается. Г!ри поглощении электрон переходит вверх на более высокий уровень, а при испускании фотона электрон совершает обратный переход вниз с уменьшением энергии атома.
Такие скачкообразные переходы называют ккалшовыши лервходаялс Различаются спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные перехолы. При слолталном квантовом переходе исп>скание фотона происхолит вне зависимости от внешних факторов и воздействий на квантовую систему При этом направление излучения и поляризация фотонов могут быть любыми. Вынувгдеиныл) квантовый переход происходит под воздействием внешнего излучения частоты о, улоалетворяюшего соотношению (1.!). При этом в процессе вынужденного излучения фотон имеет направление излучения и поляризацию, соответствующую этим же параметрам фотона стимулирующего излучения.
Частота испущенного фотона в то«- ности совпадает с частотой вынужденного излучения (рис. !. !). Атом находится в возбужденном состоянии некоторое время т и скачкообразно переходит в невозбуждеиное состояние. Если предположить, по время жизни на возбужлснном Часть Пl.
Квантовая и оптическая электроника ровне составляе~ т„то при большом числе возбужденных частиц Л; это время убывае ю закону У =У»икр(- //г), (1.2) де У< — общее число частиц, l-- текущее время, т,— время, за которое число возбу<к. »енных частиц У, убывает в е раз.
Частицы, потерявшие энергию и испустив фотон, могут вновь возбуждаться и переходить <а уровень Г,. Чем меньше т„тем чаще будут испускаться фотоны. Величина А = 1 / т, называется вероятностью спок/лонного испускания с уровня Е, и оп эелеляет среднее <испо фотонов, испускаемых одной частицей за 1 с. При спонтанном переходе с уровня Е, на Е, величина Ам называется верояшиос/пью пере сода Полная вероятность А, спонтанного испускания с уровня Е, на любой другой уро зень равна с>мме вероятностей отдельных спонтанных переходов: А, = ~,А»», де А,» — к<»эф<//и</ии»п/< Эйи<итейио для спонтанного ис/ускаиия. Типичное время жизни юзбужденных атомов составляет - !бз с. а) б) Рис.
1.1. Квантовые переходы: а — спонтаиныи переход между уровнями б< и Е< с геиерациеи фотона, б — вынужденный переход вниз с увеличением числа фотонов; в — вынужденный переход вверх е) с поглощением фотона Вынужденные кван~оные переходы генерируют фотоны, которые являются копией фото юв, стимулирующих усиление электромагнитного излучения. Число вынужденных ква»< Е,— Е, /оных переходов пропорционально плотности излучения р,, на частоте < = /< !испо фотонов У»„поглощенных 1 см за 1 с, пропорционально населенности и» нижне'о /ровня Е» и плотности излучения ри У„, = Л»,п»р„ 1 4) ще й»» — коэ4<//и</</е/<и< Эиии<п<ейиа для поглои/ения в квантовой системе. Этот коэф ффи»иенг характеризует вероятность поглощения и равен числу фотонов, поглощаемых х од<ой частицей за 1 с, при приведенной плотности излучения р, Вынужденное излучен чепце <аРактейиз>етсЯ числом фотонов У»ь испУщенных в 1 см за ! с: ! Физические основы квантовой электроники 5(3 где Вв — коэффнцоешл Зилит~еяяа для вынужденного испускания, который характеризу- ет вероятность вынужденного испускания.
Этот коэффициент определяется числом фото- нов, испускаемых в среднем одной частипей под действием излучения плотности р„= ! за ! с. Эйнштейн рассмотрел равновесную систему, в которой число фотонов, испускаемых в переходе Е, -+ Е, с частотой ч = !Е, — Е,! ! 6 равно числу фотонов той же частоты ч, погло- щаемых при обратном квантовом переходе Е, -+ Е,. Тогда: ж,„- ж,„=,ч"„,, А,„л, е В,,лр,. Равновесная плотность излучения р„связана с коэффициентами Эйнштейна следующими соотношениями: 8л(ш' 8„ с 8, (!.6) 8лдч' с' где !г, и 8з — степени вырождения уровней Е, и Ьн соответственно, с — скорость света, 8 лез коэффициент — входит в формулу Планка для плотности энергии равновесного излуз с чения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
