Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Поэтому гелий можно назвать вспомогательным, а неон— основным, или рабочим, газом. Обычно диапазон отношения концентрации гелия и неона составляет от 5 до 15. Эффективность передачи энергии оказывается высокой также потому, что время жизни гелия на уровнях П и П1 продолжительное (10 ' с). Эти уровни являются метастабильными: для них запрещены переходы в основное состояние.
Рабочий переход Зз -э Зр соответствует длине волны излучения 3,39 мкм. Это наиболее эффективный переход, усиление на нем достигает 20 дБ/м. Вынужденное излучение осуществляется на переходе 2з — > 2р с длиной волны 1,1525 мкм, а на Зз -э 2р — с длиной волны 0,6328 мкм. Так как инверсия для всех трех переходов достигается примерно в одинаковых условиях разряда, то для выделения излучения одной длины волны нужно применять специальные меры, например вводить в резонатор селективный поглотитель.
Частицы уровня 2р возвращаются на основной уровень в два этапа. Сначала происходит спонтанный переход 2р -+ 1з, а затем с метастабильного уровня 1з частицы удаляются из-за диффузии на стенки газоразрядной трубки, которым они отдают избыток своей энергии. Чтобы облегчить диффузию, надо уменьшить диаметр газоразрядной трубки. Обычно диаметр трубки не превышает 10 мм. Выходная мощность лазера зависит от тока разряда, общего давления в газовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и неона, диаметра разрядной трубки.
При малом токе (но больше пускового) мощность генерации возрастает с ростом тока, так как увеличивается количество электронов в плазме газового разряда. При этом убыстряются процессы заселения верхних энергетических уровней гелия и неона, что приводит к увеличению разности населенностей рабочих уровней. Однако после достижения определенной концентрации электронов в плазме существенную роль начинает играть процесс ступенчатого возбуждения нижних рабочих уровней неона 2р и Зр с метастабильных уровней 1з.
Это приводит к снижению инверсии населенности рабочих уровней и, следовательно, к уменьшению мощности генерации. 506 Глава 11. Введение в квантов электронику С ростом общего давления увеличиваются концентрации атомов гелия н неона, растут населенность возбужденных уровней и выходная мощность.
Однако при высоком давлении, когда концентрация частиц в разряде становится большой, уменьшается длина свободного пробега электрона и соответственно уменьшается энергия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле, что приводит к уменьшению энергии, передаваемой атомам гелия, и к снижению мощности излучения. Оптимальное давление составляет примерно 100 Па. Ионный лазер В ионных лазерах применяют ионы инертных газов, а также ионизированные пары различных химических элементов. В этих лазерах используются энергетические переходы между уровнями возбужденных ионов. Для получения большой мощности необходима высокая концентрация ионов в разряде.
Поэтому применяется дуговой разряд с высокой плотностью тока. Наиболее распространенным из ионных лазеров является аргоновый лазер, работающий на квантовых переходах между возбужденными состояниями иона Аг,' в видимой части спектра (Х = 0,45-0,51 мкм). Для повышения плотности разряда в ионных лазерах применяют продольное магнитное поле, которое удерживает заряженные частицы вблизи оси трубки. Мощность излучения ионных лазеров выше, чем лазеров, работающих на атомных переходах. В непрерывном режиме выходная мощность составляет десятки ватт, а в импульсном — десятки киловатт. Однако КПД ионных лазеров очень низкий (0,01 — 0,3 Ж).
Молекулярный лазер Недостатком атомных и ионных лазеров является их низкий КПД. Это объясняется, в частности, тем, что для перевода одного атома рабочего газа на верхний энергетический уровень необходима энергия около 20 зВ, а в получаемом прн генерации излучении энергия кванта составляет около 2 зВ. То есть эффективность преобразования энергии электрона, возбудившего атом рабочего или буферного газа, составляет всего 0,1. Кроме того, лишь небольшая доля электронов, участвующих в газовом разряде, расходует свою энергию на создание инверсии. В молекулярных лазерах соотношение между энергией излученного кванта и энергией возбуждения существенно выше (порядка 0,5).
Наиболее распространенным молекулярным лазером является лазер на смеси углекислого газа СО, с азотом Хь в которую добавлен гелий. Упрощенная схема энергетических уровней углекислого газа н азота приведена на рис. 11.8. В газо- разрядной плазме при неупругих столкновениях с электронами возбуждаются молекулы СО„при атом происходит заселение уровней 1' и 4.
Кроме того, происходит передача энергии от молекул азота к молекулам СО,. Это также приводит к возбуждению уровня 4. Эффективность возбуждения велика, так как уровень 1' расположен по энергии близко к уровню 4. Эти уровни имеют продолжительное время жизни. Излучательнымн переходами являются переходы 4 — > 3 и 4 -> 2, создающие вынужденное излучение на длинах волн 10,6 и 9,6 мкм. Наиболее интенсивным является переход с длиной волны 10,6 мкм, при этом генерация на других переходах специально подавляется.
11.3. Основные разновидности лазеров СО Рис. 11.8 Газединамический лазер В 1966 году В. К. Конюховым и А. М. Прохоровым был предложен, а в 1970 году создан инфракрасный лазер иа углекислом газе в смеси с азотом с охлаждением в сверхзвуковом сопле, получивший название газодииамического лазера. Инверсия населенностей уровней в газодииамическом лазере происходит при быстром (сверхзвуковом) расширении предварительно нагретой газовой смеси. Схема газодииамического лазера приведена иа рис.
11,9. При сжигании топлива в камере сгорания получается углекислый газ, который здесь же смешивается в определенной пропорции с азотом и водяным паром, образуя высокотемпературиую плазму. Газовая смесь под давлением 1700 Па со сверхзвуковой скоростью проходит через сопло и за иим расширяется и охлаждается. Вследствие относительно большого времени жизни верхнего уровня молекулы СО, и малого времени прохождения газа через сопло населенность возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется за время движения молекул от камеры сгорания до оптического резонатора Значительно меньшее время жизни частицы иа нижнем уровне приводит к тому, что населенность нижнего уровня оказывается много меньше населенности верхнего уровня уже иа расстоянии нескольких сантиметров от сопла. Таким способом создается инверсия населенностей уровней, и газ поступает в резонатор, состоящий из двух зеркал, параллельных потоку. Иэлучвнив Окислитель! ~из олупрозрвчнов зеркало аток гззв впрозрвчиов зеркало 1н, 508 Глава 11.
Введение в квантовую злект онику Полупроводниковые лазеры Для того чтобы заставить полупроводник усиливать падающий на него свет, необходимо, как и в любом другом лазере, создать в нем инверсию населенностей, с тем чтобы концентрация электронов в области, примыкающей ко дну зоны проводимости, была выше концентрации электронов в области, примыкающей к потолку валентной зоны. На рис. 11.10 показана энергетическая диаграмма идеального состояния полупроводника, когда узкая полоса разрешенных энергетических уровней вблизи дна зоны проводимости заполнена электронами, а узкая полоса энергетических уровней у потолка валентной зоны не содержит электронов, то есть заполнена дырками. Если в такой идеальный полупроводник попадают фотоны с энергией Ьу, большей ширины запрещенной зоны ЬЕ, „но меньшей оЕ„ то возникают вынужденные переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием новых фотонов, точно совпадающих по своим свойствам с первичными фотонами.
Если полупроводник поместить между отражающими зеркалами, заставляющими родившиеся фотоны снова и снова проходить через кристалл, создавая каждый раз новые лавины фотонов, то можно осуществить генерацию монохроматического света. Область, заполненная влвктронамн Еч Область. свободная от элвктронов Рис. 11.10 В полупроводниках возможны следующие методы получения инверсии населенностей: инжекция носителей заряда через р-и-переход (инжекционные лазеры), электронная накачка и оптическая накачка. Наибольшее распространение получил метод инжекции носителей заряда. Инжекционный лазер В инжекционных лазерах используется р-п-переход, образованный вырожденными полупроводниками с разным типом электропроводности. Если к такому р-и-переходу приложить прямое напряжение, то уровни Ферми Е „и Е, разойдутся на величину приложенного напряжения (рис.
11.11). При атом в некоторой области перехода с шириной б одновременно будет велико число электронов в полосе ЬЕ, и дырок (свободных уровней) в энергетической полосе ЬЕ„то есть распределение носителей заряда оказывается подобным распределению, показанному на рнс. 11.10, что свидетельствует об инверсии населенностей. В этой области происходит наиболее интенсивная рекомбинация электронов и дырок, сопровож- 509 11.3. Основные разновидности лазеров дающаяся спонтанным излучением с энергией, большей ширины запрещенной зоны. Чем больше внешнее напряжение, тем больше концентрация электронов и дырок в области 5, тем сильнее выражена инверсия населенностей.
При некотором пороговом напряжении (пороговом токе), когда вынужденное излучение, вызванное спонтанным юлучением, достаточно для компенсации потерь света в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступает генерация. Таким образом, р-и-переход при малых токах является источником спонтанного излучения, что имеет место в светоизлучающих диодах, а при токах больше порогового — источником когерентного юлучения, что имеет место в лазерах. х„ хр Рис.
11.11 р-область р-и-переход л-облвсть учение Рис. 11.12 Пороговый ток лазера в значительной степени зависит от температуры и концентрации примесей. Понижение температуры облегчает вырождение полупроводников и, следовательно, уменьшает пороговый ток. Лазеры на арсениде галлия работают при температуре жидкого гелия 4,2 К или жидкого азота 77 К. В настоящее время разработаны инжекционные лазеры, работающие в импульсном режиме Первые инжекционные лазеры были созданы на арсеннде галлия. Типичный лазер изготовляется в форме прямоугольного параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до одного миллиметра (рис. 11.12).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
