|
Читайте также: |
Лазер – это оптический квантовый генератор. Термин «лазер» LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) является аббревиатурой английской фразы: «Усиление света стимулированным излучением».
Работа лазеров основана на открытом Эйнштейном виде излучения, называемом вынужденным, индуцированным или стимулированным. Этот вид излучения заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, то есть переход электрона на основную менее удаленную от ядра орбиту. А избыток энергии излучается в виде нового фотона (близнеца) с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона, вызвавшего этот процесс.
При прохождении света через вещество одновременно может происходить три процесса:
1) Процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное.
2) Процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние;
3) Вынужденное излучение фотонов возбужденными атомами;
Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном ещё в 1916 г.
Для того, чтобы мощность светового излучения увеличивалась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбуждённом состоянии. То есть число электронов в зоне проводимости N2 должно быть больше, чем число электронов в валентной зоне N1. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с нормальной населённостью энергетических уровней. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8
В веществе с инверсной населённостью уровней на пути фотонов чаше встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии, поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение.
В результате при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней поток света усиливается, а не ослабляется.
Экспериментальное явление усиления света при его прохождении через среду с инверсной населённостью уровней было открыто в 1951 году советскими учёными В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой. Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. Для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
Принцип действия полупроводникового лазера
Простейшим лазером является лазер с резонатором Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9. ППЛ имеет такой же излучающий PN переход, как и СИД, но структура его отличается тем, что кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор (так называемый резонатор Фабри-Перо).
Рисунок 3.9 – Лазер с резонатором Фабри-Перо
Одно из зеркал резонатора отражает свет с коэффициентом отражения близким к 100%, а другое зеркало является полупрозрачным (коэффициент отражения К=0,3), обеспечивая тем самым выход излучения наружу.
Рисунок 3.10 – Резонатор Фабри-Перо
На ППЛ подается прямое напряжение, под действием которого в активном слое происходит рекомбинация электронов с дырками, при этом электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, и возникает лазерное излучение.
Кристалл ППЛ имеет приблизительно следующие размеры: L=100-500 мкм; W=10 мкм; d=1 мкм (рисунок 3.9).
Что же происходит внутри резонатора?
В пространстве между двумя плоскими зеркалами (рисунок 3.10), одно из которых 2 полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 2 и излучается наружу, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.д. Фотон, отразившийся от зеркала 2, при движении обратно сталкивается с возбужденным атомом из-за чего тот излучает фотон-клон, с той же энергией и направлением излучения, что и первый фотон. Один из этих фотонов ударит следующий атом, который даст излучение ещё одного фотона и т.д. В результате цепной реакции размножения фотонов световой поток усиливается, и между зеркалами будет двигаться целая армия фотонов - близнецов, имеющих одинаковую энергию (а значит, длину волны), одинаковое направление движения и одинаковую поляризацию. Так на выходе лазера появляется когерентное излучение.
Рисунок 3.11 – Ватт-амперная характеристика лазера
При малых токах накачки (рисунок 3.11) меньше половины атомов активного слоя находится в возбуждённом состоянии, поэтому количество вынужденных фотонов мало, лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как слабоэффективный светодиод. При увеличении тока накачки возрастает инверсная населённость и при N2>N1 происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым (рисунок 3.9). После порогового тока резко нарастает мощность излучения и его когерентность. Такой режим работы называется лазерной генерацией
При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. На рисунке 3.8 видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы резонатора. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучение "вбок" можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала.
Лазерная генерация возникает только при определённой длине L резонатора, кратной целому числу полуволн L = m 
/2, где m = 1, 2, 3…- число полуволн. При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волн и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т. е. в резонаторе образуется стоячая волна.
Рисунок 3.12 – Спектр многомодового лазера
Лазеры имеют значительно меньшую ширину спектра излучения, чем СИД. Лазер Фабри-Перо называют многомодовым, т.к. в его спектре излучения (рисунок 3.12) наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы (моды). Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн в резонаторе:
L = m 
/2. В резонаторе Фабри-Перо это условие выполняется не только для главной моды, но и для побочных мод. Ширина спектра многомодового лазера и СИД определяется на уровне минус 3дБ от максимальной мощности (P макс/2). Широкий спектр лазерных мод приводит к появлению хроматической дисперсии в ОВ.
Для ППЛ Фабри-Перо величина угла расходимости составляет: φx =5-10 град., и φy =15-30 град.
Величина порогового тока ППЛ Фабри-Перо сильно зависит от температуры тела лазера. При повышении температуры лазера кривая смещается вправо, а величина порогового тока быстро возрастает (рисунок 3.13).
Если ток накачки остаётся прежним, то выходная мощность уменьшается. Для восстановления прежней величины излучаемой мощности необходимо увеличивать ток накачки. А сильное увеличение тока накачки может привести к разрушению активного слоя ППЛ, что приводит к необходимости применения схем термостабилизации параметров лазера.
Рисунок 3.13–Зависимость порогового тока ППЛ Фабри-Перо от температуры
ППЛ Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9, является гомолазером, так как состоит из одного вида полупроводников (AsGa). Этот ППЛ имеет большой ток накачки, необходимый для генерации и сильную зависимость тока накачки от температуры тела кристалла.
Для преодоления недостатков гомолазеров Фабри-Перо разработаны различные конструкции гетеролазеров. В 1967 г. Жорес Алферов создал первые полупроводниковые гетеролазеры Фабри-Перо, имеющие гетеропереходы, подобно торцевому СИД (Рисунок 3.18). Для их работы требуется меньший ток накачки при той же выходной мощности.
Недостатком лазеров Фабри-Перо является то, что они многомодовые. Такие лазеры имеют далеко не самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуются очень высокая скорость передачи и дальность связи, они, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения критерия “цена – эффективность”.
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 211 | Нарушение авторских прав