149937 (732473), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

я2- 16 - я2Основные типы лазеров: я21. гелий-неоновый. Разряд в чистом неоне не может привестия2к инверсии, но атом гелия имеет метастабильное состояние ся2энергией близкой к требуемой для возбуждения атома неона. Прия2столкновениях эта энергия передается атомам неона.Возможныея2испускаемые длины волн: 0.63, 1.15 и 3.39 мкм. Мощность пучкая2составляет единицы мВт. Применяются в оптическом приборострое-я2нии, исследовательской работе и метрологии (оптический гиро-я2метр). я22. аргоновый. В отличие от первого мощность излученияя2составляет 500 Вт, но при этом КПД менее 0.1%. Дает несколькоя2линий в сине-зеленой части спектра. я23. на парах меди. Дает мощное излучение в желтой и зеленойя2частях спектра. Работает в импульсном режиме. я24. углекислотный. Активная среда - смесь углекислоты, азо-я2та и гелия. Для создания инверсной заселенности энергия отя2возбужденной молекулы азота передается молекуле углекислоты.я2Гелий вводят в смесь для создания высокой теплопроводностия2(т.к. перегрев током разряда при больших мощностях,генерируе-я2мых лазером, затрудняет получение инверсии). Возбужденная мо-я2лекула углекислого газа совершает колебания трех типов. Однов-я2ременно с колебаниями происходит вращение молекулы. Квантыя2вращательной энергии значительно меньше квантов колебательнойя2энергии, что приводит к многоуровневому спектру излучения.я2Множество вращательно-колебательных переходов позволяет пе-я2рестраивать лазер по частоте с помощью селективного резонато-я2ра, состоящего из двух неселективных зеркал и дифракционнойя2решетки, выделяющей нужную спектральную линию. Спектр излуче-я2ния лежит в области 10.6мкм - 9.6мкм.Существующие лазеры ся2мощностью непрерывного излучения около десятков кВт и им-я2пульсные лазеры с энергией в импульсе в сотни кДж, при КПД доя230%. Используются в машиностроении, лазерных локаторах и даль-я2номерах, для контроля состава атмосферы. я2В конструкции лазера обычно используется замкнутый кон-я2тур, по которому циркулирует газовая смесь, проходящая для ре-я2генерации через устройство для каталитического окисления окисия2углерода (образуется при разложении углекислоты электрическимя2разрядом). я25. "эксимерный".Активная среда - смесь инертных газов ся2парами соединений, содержащих галоиды. Принцип получения ин-я2версной заселенности заключается в переходе молекулы из устой-я2чивого возбужденного состояния в неустойчивое нормальное, пе-я2рейдя в которое молекула диссоциирует. Создав в смеси условияя2для химической реакции образования молекул типа криптон-фтор,я2ксенон-фтор и т.д.,мы получаем инверсию, т.к. в нормальномя2состоянии таких молекул нет. Образование возбужденных молекуля2идет при сильном электрическом разряде и сжатом газе с добав-я2кой гелия при давлении выше 1 атм., или при облучении сжатогоя2газа быстрыми электронами. я2Дают импульсное УФ-излучение. Самое коротковолновое излу-я2чение получается в системе аргон-хлор(175 нм), а самое длинно-я2волновое в системе ксенон-фтор(351 нм). длительность импульсовя210 - 50 нс. Мощность до нескольких ГВт. Используются для изго-я2товления эпитаксиальных пленок полупроводников. я26. лазеры на активированных кристаллах и стеклах: я2- рубиновый: излучение на длине волны 0.69 мкм. я2- на стеклах, легированных ниодимом: для созданияя2

я2- 17 -я2инверсии активный элемент облучается импульсной лампой белогоя2света. Излучение вблизи 1.06 мкм. я2- на сапфире, активированном титаном: может перестраива-я2ться по длине волны в широкой области. я_ГЛАВА 6. Полупроводниковые лазеры и их применение. я_я21.я.К методам возбуждения электронной подсистемы полупровод-я2ника относятся инжекция через p-n переход,ионизация быстрымия2электронами и фотоионизация. Основные достижения в области по-я2лупроводниковых лазеров основаны на первом методе. я2Первые инжекционные лазеры были созданы в 1962г. на основея2арсенида галлия. Их простая конструкция(рис.6.1): пластинкуя2арсенида галлия n типа, полученная диффузией цинка, разделяютя2на кристаллики около 1мм; грани,перпендикулярные плоскости p-nя2перехода,служат зеркалами резонатора. Арсенид галлия имеетя2высокий показатель преломления ( 3.7 ), поэтому френелевскоея2отражение составляет около 30%. Этого достаточно для полученияя2генерации (например, при коэффициенте усиления 22 1/мм и длинея2резонатора 0.4мм усиление составляет 4500). Технологическиея2доработки приводят к приборам с исключительно ценным комп-я2лексом качеств: малые размеры области свечения,высокая яркостья2даже при малой мощности излучения, высокий КПД,простота моду-я2ляции излучения током питания, квазимонохроматичность излуче-я2ния и возможность интеграции с другими твердотельными прибора-я2ми на общей подложке. Последнее требуется, например,в прием-я2но-передающих модулях волоконно-оптических систем связи,вклю-я2чающих в себя лазер и фотодиод. Для усовершенствования приме-я2няют полупроводниковые гетероструктуры (системы контактирующихя2на атомном уровне различных полупроводников с неодинаковойя2щелью, но с предельно малым различием постоянных кристалли-я2ческой решетки, напр.:арсенид галлия - арсенид галлия-алюми-я2ния) и квантово-размерные структуры (настолько тонкослойныея2структуры, что движение в них электронов является двумерным). я2С энергетической точки зрения тонкий слой между слоями ся2несколько большей щелью является потенциальной ямой с верти-я2кальными стенками, в которой возникают устойчивые состояния,я2соответствующие стоячим волнам электронной волны. Оптическимя2аналогом квантово-размерной системы является интерферометря2Фабри-Перо. я2Простейшая структура лазера с одной квантовой ямой изобра-я2жена на рис.6.2. я2Мощность лазеров с гетероструктурами квантовой ямой дове-я2дена до единиц Вт в непрерывном режиме при комнатной темпера-я2туре, КПД достигает 50%.Повышение мощности достигается при по-я2мощи многоэлементных лазерных линеек (решеток). я2Для уменьшения расходимости светового пучка вместо зеркаля2на Френелевском отражении применяются структуры типа дифракци-я2онной решетки, нанесенной на поверхность кристалла. По анало-я2гии с отражением рентгеновских лучей от кристаллов эти дифрак-я2ционные зеркала называются Брэгговскими. Лазеры этого типа - "я2лазеры с распределенной обратной связью". Диаграмма направлен-я2ности их имеет ширину порядка 1 градуса, что существенно упро-я2щает оптическую систему формирования выходного пучка. я2Предыдущее изложение относилось к лазерам на основе арсе-я2нида галлия с щелью 1.47эВ, что соответствует длине волныя20.84мкм. я2Развитие ВОСС потребовало перехода к длинам волн 1.3 -я21.6мкм для уменьшения поглощения волн кварцевым стеклом ия2уменьшения дисперсии. Для этого применяются сложные полупро-я2

я2- 18 -я2водниковые системы из 4-х компонентов индий-галлий-фос-я2фор-мышьяк на подложке из фосфида индия. я_я22.Квазиуровни Ферми. Условие инверсии для полупроводников. я2В системе фермионов в равновесном состоянии уровни Фермия2всех подсистем равны. В сильно неравновесных системах стимули-я2рованное излучение доминирует над спонтанным. Вводя избыточныея2по сравнению с равновесным состоянием носители заряда в С- ия2V- зоны,мы заставляем их занимать более высокие состояния,я2т.к. по принципу Паули нижние уровни уже заняты носителями за-я2ряда. Поэтому в первый момент избыточные носители("горячие")я2не подчиняются распределению Ферми. я2Однако в процессе "остывания" за время порядка 1нс уста-я2навливается распределение Ферми, отличающееся от равновесногоя2значением энергии Ферми. После этого избыточные носители су-я2ществуют в зонах в течение времени на несколько порядков боль-я2ше времени остывания. Энергию Ферми для такого состояния назы-я2вают "квазиуровнем Ферми". Очевидно, что квазиуровни Ферми дляя2электронов и дырок не совпадают, как в равновесном состоянии. я2Определим условия для положения квазиуровней Ферми прия2преобладании стимулированной эмиссии над поглощением. Для это-я2го рассмотрим баланс переходов из С-зоны в V-зону и обратно.я2Число переходов за 1с пропорционально произведению вероят-я2ностей занятости состояния в С-зоне и V-зоне. Аналогично дляя2скорости переходов обратно. Коэффициенты пропорциональностия2одинаковы для переходов "вниз и вверх". Здесь нужно использо-я2вать формулу распределения Ферми-Дирака. При инверсии числоя2переходов "вниз" должно быть больше числа переходов "вверх".я2Поэтому условие инверсиия2где и функции, выражающие распределения Ферми дляя2электронов соответственно в С- и V-зонах. Введя вместо уровнейя2Ферми квазиуровни и , запишем их в видея2Для выполнения неравенства нужно, чтобыя2Отсюда следует я2Но есть энергия испускаемого фотона, которая не может бытья2меньше ширины щели (при выбранной нами модели собственного по-я2лупроводника). Поэтомуя2означающее, что квазиуровни должны быть расположены ниже по-я2толка V-зоны и выше дна С-зоны. я2Полученный результат не содержит информации о количествен-я2ном соотношении скоростей переходов с излучением и поглощени-я2ем. Решение этой задачи дается интеграломя2Этот интеграл аналогичен рассмотренному в главе 5 при рассмот-я2рении спектра спонтанного излучения. Положительный знак ре-я2

я2- 19 -я2зультата соответствует преобладанию стимулированных излуча-я2тельных переходов, а отрицательный - преобладанию переходов ся2поглощением. Для непосредственного измерения удобно ввести ве-я2личину эффективной плотности тока :я2где j - плотность тока, - внутренняя квантовая эффектив-я2ность, d - толщина области, где происходит рекомбинация. я2Результаты вычислений баланса излучательных переходов ия2переходов с поглощением и последующих вычислений коэффициентовя2усиления и поглощения изображены на рис.6.3 применительно кя2арсениду галлия. я2Зная коэффициент усиления, можно определить порог генера-я2ции лазерного излучения, когда усиление компенсирует потерюя2излучения. Вблизи порога начнется генерация на одной моде, со-я2ответствующей максимуму усиления, а при увеличении тока нач-я2нется генерация и на других модах, если они не подавляются ре-я2зонатором. я_я23. Условие перехода к генерации. Двойная гетероструктура. я2Для перехода к генерации лазерного излучения нужно обеспе-я2чить положительную обратную связь при помощи резонатора, поз-я2воляющего повысить плотность фотонов для определенных типовя2колебаний (мод) и реализовать принципиальную особенность фото-я2нов, заключающуюся в повышении вероятности рождения фотоная2пропорционально плотности уже имеющихся. Поэтому резонаторя2способствует рождению фотонов, соответствующих по частотея2собственных колебаний резонатора. Начало генерации обычноя2соответствует максимуму спектрального контура усиления, причемя2появляется одномодовое излучение, а затем при повышении токая2усиление становится достаточно высоким для начала генерациия2других мод. Спектр приобретает многомодовую структуру, изобра-я2женную на рис.6.4. я2При сильном возбуждении полупроводника без резонатора по-я2является излучение со сплошным спектром (суперлюминисценция).я2Полупроводниковые излучатели, в которых реализуется такой ре-я2жим, называются суперлюминисцентными светодиодами. я2Общее условие перехода к генерации:я2где R1 и R2 - коэффициент отражения зеркал резонатора, l -я2длина резонатора, ?? - коэффициент усиления и ?? - коэффициентя2поглощения на примесях и при рассеянии на неоднородностях. Дляя2полупроводникового лазера нужно учесть, что выше порога гене-я2рации связь коэффициента усиления и эффективной плотности токая2линейна я2Кроме того, следует уменьшить коэффициент усиления факто-я2ром Г ("фактор оптического ограничения") за счет ухода частия2излучения за пределы активного слоя. я2Для снижения пороговой плотности тока нужно уменьшить тол-я2щину активного слоя d и увеличить Г. Эти соображения реализо-я2ваны в гетероструктуре, использующей контактирующие слои по-я2лупроводников с разным химическим составом (арсенида галлия ся2

я2- 20 -я2арсенидом галлия-алюминия). я2Очень важно, что показатель преломления у арсенида гал-я2лия-алюминия меньше, чем у арсенида галлия, и на их границея2может иметь место полное внутреннее отражение. Поэтому слойя2арсенида галлия между двумя слоями арсенида галлия-алюминияя2образует световод. Кроме того, арсенид галлия-алюминия прозра-я2чен для излучения арсенида галлия, т.к. обладает большей шири-я2ной щели. я2Наконец, особенности контакта двух полупроводников с раз-я2ными щелями способствуют накоплению избыточных неосновныхя2носителей заряда в активном слое. Этот процесс поясняется ная2рис.6.5. я2Первая диаграмма относится к равновесному состоянию. Вто-я2рая соответствует прямому смещению ( - на n-области). Будемя2считать, что p-область заземлена. Подъем части диаграммы дляя2n-области заставит электроны устремиться в p+ -область, обрат-я2ный переход затруднен возникшим потенциальным барьером. Уйти вя2p-область они также не могут, т.к. барьер на границе p+ ия2p-областей сохранился. Дырки в p+ -области также остаются "за-я2пертыми", т.к. их выходу препятствуют барьеры, а на выходе изя2p-области барьера нет. я2Таким образом, двойная гетероструктура создает пространс-я2твенное ограничение для фотонов, заставляя их распространятьсяя2по световоду в активной области, и для электронов и дырок,я2"запирая" их p+ -области. я_я24. Примеры конструкций полупроводниковых лазеров. я2Примеры конструкций полупроводниковых лазеров приведены ная2рис. 6.1, 6.2, 6.9-6.12. Характерен рис.6.2, где показаная2структура одноэлементного гетеролазера с одним квантово-раз-я2мерным слоем, причем изображен профиль показателя преломленияя2в активной области и в ограничивающих слоях гетероструктуры.я2Длина узкой полоски активной области составляет доли мм. я2На рис.6.9 изображена более сложная конструкция лазера ся2активной областью из четверного соединения двух составов, из-я2лучающей на длинах волн 1.18мкм и 1.52мкм. Вышележащий слойя2фосфида индия p-типа и нижележащий слой n-типа образуют вместея2с активным слоем двойную гетероструктуру. Сама активная об-я2ласть расположена на "столике", который зарощен слоями фосфидая2индия, служащими для предотвращения диффузии избыточных носи-я2телей заряда в боковом направлении. Таким образом, они оказы-я2ваются "запертыми" в пределах активной зоны, что соответствуетя2повышению эффективной плотности тока. Рядом показана зависи-я2мость мощности излучения от тока через структуру при различныхя2температурах. По шкале оси абсцисс можно судить о величине по-я2рогового тока. я2Рис.6.11 дает представление о конструкции лазера с дифрак-я2ционной решеткой (отражателем Брегга). Решетка наносится не ная2активный слой, а на нижележащий волновой слой. Это делаетсяя2для предотвращения появлений дефектов в активном слое. я2Рис.6.12 изображает схему фазированной решетки из несколь-я2ких лазеров, которые могут обмениваться излучением благодаряя2наличию связей между ними. В результате обмена устанавливаетсяя2общее поле и лазеры начинают излучать в фазе друг с другом,я2что приводит к улучшению диаграммы направленности. я_я25. Применение полупроводниковых лазеров. я2Самый крупный потребитель лазеров - бытовая и специальнаяя2видеотехника.я2

я2- 21 - я2Вторая область массового применения - волоконно-оптическиея2линии связи (ВОЛС). Общая структура ВОЛС включает приемо-пере-я2датчики и кабель со световодами, а на длинных линиях еще пов-я2торители-ретрансляторы. Расстояние между ретрансляторамия2достигает 100 км. - такой прозрачностью обладают световоды изя2легированного кварцевого стекла. я2Приемо-передатчики представляют собой модули, содержащиея2лазер, стыкуемый со световодом, фотодиод и электронные мик-я2росхемы. Принципиальная схема изображена на рис.6.13. я2Созданы ВОЛС, в которых используется оптическое усилениея2сигнала. Для этого служит отрезок световода из стекла, легиро-я2ванного ионами примесей, которые возбуждаются излучением по-я2лупроводникового лазера на арсениде галлия. Этот отрезок явля-я2ется усилителем бегущей световой волны сигнала от основногоя2лазера-передатчика. я2Среди других применений отметим ряд типов волоконно-опти-я2ческих датчиков различных физических величин. Все эти устройс-я2тва по сути являются волоконно-оптическими интерферометрами,я2регистрирующими разность фаз, которая возникает при воздейс-я2твии внешних факторов на чувствительный элемент. я_ГЛАВА 7 я_я21.я. При изложении материала о приемниках оптического излу-я2чения будем использовать сокращения: ФП - фотоприемник, ФПУ -я2фотоприемное устройство, ФЭПП - фотоэлектрический полупровод-я2никовый приемник, ТФП - тепловой фотоприемник. я2ФП классифицируются по механизму реакции на излучение,я2т.е. преобразования оптического сигнала в электрический. Фо-я2тонные (квантовые): эл. сигнал возникает при прямом преобразо-я2вании энергии фотона в первичную реакцию ФП (например: фотоди-я2оды, фоторезисторы, фотоэмиссионные приемники, усилители изоб-я2ражения). Тепловые: энергия фотона преобразуется в теплоту, ия2реакция ФП создается в результате повышения температуры егоя2чувствительного элемента. я2Принцип действия фотодиодов основан на разделении полемя2контактной разности потенциалов избыточных (неравновесных) не-я2основных носителей заряда, созданных при поглощении фотоновя2(см.рис.5.8). Фототок добавляется к току равновесных неоснов-я2ных носителей. я2Принцип действия фоторезисторов основан на изменении соп-я2ротивления чувствительного элемента при поглощении фотонов. я2Можно конструктивно объединить фоточувствительный элементя2с предусилителем. Такие приборы называются фотоприемными уст-я2ройствами. Чувствительные элементы ФПУ могут быть сделаны изя2любого материала, применяемого в фотоэлектронике, а электрон-я2ный тракт состоит из обычных кремниевых компонентов. Многиея2ФПУ имеют по одному чувствительному элементу, но большая частья2применений требует наличия многих чувствительных элементов(я2напр. ФПУ для систем телевидения). я2К фотонным приемникам эмиссионного типа относятся все при-я2боры с внешним фотоэффектом эмиссии в вакуум. Среди них широкоя2используются фотоэлектронные умножители(ФЭУ) и электронно-оп-я2тические преобразователи(ЭОП). я2К тепловым фотоприемникам(ТФП) относятся болометры разныхя2типов, радиационные термоэлементы и пироэлектрические ТФП. я2Болометры преобразуют оптический сигнал, воспринимаемыйя2резистивным чувствительным элементом(ЧЭ), в теплоту. Повышениея2температуры изменяет сопротивление элемента, регистрируемоея2

Характеристики

Список файлов реферата