Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Это позволило получить при комнатной температуре режимнепрерывного излучения, который был возможен только при температуре жидкого азота.Отличительной особенностью гетеролазеров является возможность изготовлениялазеров с различной длиной волны излучения изменением концентрации примесногоалюминия.
Например, изменение последней в пределах от 0 до 30% вызывает изменениедлины волны от 0,9 до 0,68 мкм.Повышения мощности излучения инжекционных лазеров добиваются изготовлениемнабора (решеток) лазерных диодов. Например, при комнатной температуре полученаимпульсная мощность от 10 до 1000 Вт при частоте следования импульсов до 1 кГц идлительности импульсов от 70 до 200 нс. при этом число лазерных диодов в решеткеколеблется от 10 до 60.При температуре жидкого азота в решетке из 1000 лазерных диодов получена средняямощность 30—40 Вт. Вследствие низкой температуры КПД оказывается высоким (несколькодесятков процентов). Импульсная мощность решетки составляла 1,5—2,5 кВт придлительности импульсов 2 мкс и частоте следования 10 кГц.
Диаметр выходной оптическойсистемы примерно 75 мм.Другие методы накачки в полупроводниках. Для создания инверсии населенностей вполупроводниках можно использовать оптическую и электронную накачку.Оптическая накачка должна производиться с помощью лазерного излучения (лазернаянакачка), так как обычные источники света имеют очень широкий спектр излучения. Очевидно,что энергия кванта hv должна быть больше ширины запрещенной зоны полупроводника.
Так как вполупроводниках наблюдается значительное поглощение света, то практически инверсия231населенностей получается в тонком поверхностном слое. Это не позволяет получить большиемощности излучения в полупроводниковых лазерах с оптической накачкой.Электронная накачка происходит в результате бомбардировки полупроводникаэлектронами с высокой энергией (до 300 кэВ).
Это позволяет электронам проникнуть наглубину несколько десятков микрометров и возбудить гораздо больший объем, чем винжекционных лазерах и в лазерах с оптической накачкой. В приповерхностном слоеэлектроны тормозятся и создают пары носителей — электроны и дырки. Для создания однойпары требуется энергия в 3—4 раза больше ширины запрещенной зоны, так как значительнаядоля энергии тратится на взаимодействие с кристаллической решеткой. Поэтому каждыйэлектрон образует примерно 104 пар. При достаточно большом токе пучка электроновконцентрация электронов у границы зоны проводимости и дырок у границы валентной зоныбудут соответствовать вырождению, при котором происходит инверсия населенностей.Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой имеют преимущества перединжекционными лазерами, которые при большой мощности излучения становятся сложнымиустройствами и, кроме того, не позволяют получить излучение в видимом диапазоне длин волн.Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой были предложены в 1964 г.
советскимиучеными Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем и А. Н. Девятковым. Упрощенная схема устройствалазера показана на рис. 15.29. Пучок электронов направляется на полупроводниковую мишень,грани которой образуют оптический резонатор. Конструктивно лазер с электронной накачкойизготавливают в виде электровакуумного прибора. Формирование и отклонение электронногопучка осуществляется так же, как в электронно-лучевых трубках.
Активный элементустанавливают на хладопроводе. Для охлаждения используют жидкий азот. Излучение изприбора выводится через прозрачные окна. Такие лазеры работают только в импульсномрежиме даже при охлаждении жидким азотомИспользуя кристаллы CdTe, CdSe, CdS, ZnS, GaSb, PbSe и GaAs можно получитьизлучение от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области волн. Наилучшиерезультаты в видимой области спектра (λ=0,49 мкм) получены при использовании кристаллаCdS. При плотности тока в пучке 1400 А/см2 и энергии электронов 260 кэВ получены световыеимпульсы мощностью 200 кВт при длительности импульсов 3 нс.
Образец кристалла при этомне охлаждался. КПД лазера составлял 1%. В ближней ИК-области при использовании GaAsполучена импульсная мощность 1,5 МВт, в этом случае энергия электронов составляла 300 кэВ,а электронный ток 300 А.232§ 15.8. Жидкостные лазерыЖидкостным называют лазер с жидкостным активным элементом в виде растворовнеорганических соединений редкоземельных элементов или растворов органическихкрасителей.В жидкостных лазерах можно обеспечить примерно такую же концентрацию активныхчастиц, как в твердотельных и, следовательно, получить высокий энергосъем с единицыобъема активной среды. Кроме того, из-за большой однородности жидкостной активнойсреды отсутствуют потери, характерные для твердотельных активных элементов.Наконец, облегчается охлаждение активной среды, оно обеспечивается циркуляциейжидкости через рабочее пространство лазера.
Для жидкостных лазеров характернаповышенная устойчивость к температурным напряжениям по сравнению ствердотельными лазерами.К недостаткам жидкостных лазеров следует отнести небольшой срок сохраняемостирастворов, появление в среде «тепловой» линзы с фокусным расстоянием, меняющимся втечение импульса излучения. Первая причина приводит к значительному изменениюмощности излучения, а вторая - к существенному возрастанию расходимости выходногоизлучения до единиц, а иногда и до десятков градусов.В лазерах на основе неорганических соединений редкоземельных элементовиспользуются весьма химически агрессивные жидкости, что ограничивает выборматериалов и срок их службыЛазеры на основе неорганических сред работают только в импульсном режиме.
Вкачестве источников накачки используют импульсные лампы. Средняя мощностьизлучения достигает .380 Вт, а импульсная мощность —50 МВт (в режиме модуляциидобротности).В настоящее время практическое развитие получили в основном лазеры на основерастворов солей неодима (Nd) в неорганических жидкостях, таких, как SeOCl2: SnCl,РоС13: SnCl4 и PoCl3: ZrCl4, В качестве лазерного перехода используют тот же квантовыйпереход иона неодима, как и в твердотельных лазерах на стекле с примесью неодима.Лазеры на основе органических красителей работают как в импульсном, так и внепрерывном режиме. В непрерывном режиме используется только лазерная накачка, а вимпульсном — лазерная и ламповая накачка. Импульсная мощность излучения достигаетнескольких мегаватт.
Длительность импульсов при ламповой накачке 1 — 15 мкс, а прилазерной накачке 10—30 нс. Отличительной особенностью лазеров на основеорганических красителей является возможность изменения длины волны излучения вшироких пределах. Объясняется это большой шириной спектральной линии излучениясреды, достигающей 100 нм (0,1 мкм). Грубую перестройку можно выполнять сменойкрасителя, а плавную —введением в резонатор регулируемых селективных элементов,позволяющих обеспечить генерацию на любой длине волны в пределах шириныспектральной линии излучения данного раствора. Существующий набор красителейпозволяет создать лазеры с перестройкой от ультрафиолетовой до ближней инфракраснойобласти спектра.233§ 15.9. Применения лазеровВ предыдущих параграфах были рассмотрены принципы работы газовых,твердотельных,полупроводниковыхижидкостныхлазеровипараметры,характеризующие возможности этих лазеров. Для сравнения в табл.
12 приведенысведения по некоторым серийным отечественным лазерам.Твердотельные лазеры обеспечивают получение очень коротких импульсов излученияс большой импульсной мощностью. Недостатками их являются трудность получениянепрерывного режима, малый КПД, относительно небольшая частота повторенияимпульсов.Газовые лазеры обладают высокой монохроматичностью и стабильностью частоты,работают как в непрерывном, так и в импульсном режиме с большей частотой повторения,имеют малый угол расходимости излучения. Недостатки газовых лазеров: малый КПД,относительно большие габариты и малая мощность (за исключением лазеров науглекислом газе и азотных лазеров).
Фотография одного из лазеров (ЛГ-109) показана нарис. 15.30.Полупроводниковые лазеры имеют высокий КПД, малые размеры, возможность легкоймодуляции до очень высоких частот. Однако они, как правило, требуют охлаждения,имеют широкий спектр излучения и большой угол расходимости. Фотография одного изтипов лазерного диода показана на рис. 15.31.Особенности каждого типа лазеров определяют области их применения. Остановимсянесколько подробнее лишь на некоторых перспективных направлениях использованиялазеров.Высокая частота несущей в оптическом диапазоне позволит получить чрезвычайнобольшое число каналов связи, а очень малый угол расходимости излучения лазера —высокую эффективность передачи информации.
В настоящее время действуют оптическиелинии связи, на которых изучают все возможности этого способа связи.Одна из серьезных трудностей при реализации систем оптической связи с помощьюлазеров связана со значительным поглощением излучения в атмосфере. Поглощениезависит от метеорологических условий (дождь, туман, снегопад). Затухание на километрможет достигать 10 дБ. Перспективы для атмосферных, или открытых, линий связиоткрывает переход в инфракрасный диапазон волн, где около λ=10,6 мкм поглощениемало («окно прозрачности» атмосферы). Сейчас имеются мощные лазеры на СО2 с такойдлиной волны, но пока отсутствуют модуляторы и фотоприемные устройства,работающие в широком диапазоне частот модуляции.Протяженность действующих открытых оптических линий связи мала, не превышает20—25 км.
На этих линиях обычно используют газовые лазеры, имеющие хорошуюмонохроматичность,нонебольшую выходную мощность. Максимальная частота234235используемых оптических модуляторов около 100 МГц. В качестве фотодетекторовприменяют ФЭУ с примерно такой же полосой частот. Высокая направленностьизлучения газовых лазеров заставляет применять специальные системы для направлениясветового луча на приемное устройство.Закрытые линии связи устраняют влияние метеоусловий. В таких линиях должныприменяться световоды, обеспечивающие передачу света без значительных потерь натрассе. Возможно применение газовых световодов с фокусирующими линзами илисветоводов из стекловолокна.
Последнее было целесообразно, так как не требуетсявыдерживать прямолинейность трассы. Однако даже специально разработанноестекловолокно имеет большое затухание (до 5 дБ/км), а это потребует примененияпромежуточных квантовых усилителей света или регенераторов сигнала, поэтомудополнительно возникает задача согласования стекловолокна с промежуточнымиустройствами.Благодаря высокой направленности и большой импульсной мощности лазерыприменяют для измерения очень больших расстояний.
Измерения основаны наопределении разности времен между фронтами исходного импульса и импульса,отраженного от объекта. Для измерения расстояния используют также фазовые методы.Весьма перспективно применение лазеров для голографии. Схема такого примененияпоказана на рис. 15.32. Объект освещается широким пучком лазерного излучения.Отраженный от объекта свет падает на фотографическуюпластинку, на нее с помощью зеркала – направляетсятакже свет непосредственно от лазера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
