inversiune populației

Acasă | Despre noi | feedback-ul

inversiune Populația - concentrația atomilor cu aceeași co-picioare de energie; în echilibru termodinamic se supune statisticii Boltzmann:

Care - concentrația atomilor în stare de electroni, care corespunde nivelului de energie și cu energie.

Când concentrația atomilor excitați este mai mare decât excitat, cantitatea # 916; n =, prin urmare, populația normală negativă. Când concentrația atomilor excitați este mai mare decât neexcitat (cu condiția ca influența energiei pompa) Valoarea # 916; n devine pozitiv, atunci există inversiunea populației și radiația care trece poate fi crescută datorită atomilor excitați.

Stare punct de vedere tehnic # 916; n> 0 este îndeplinită atunci când temperatura negativă absolută T <0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

In lasere cu semiconductori populatiile inversiune între nivelurile de energie ale conducție și banda de valență purtătoare injectarea se realizează cu o prejudecată pozitivă p-n-joncțiune.

amplificare laser - amplificarea radiației optice se bazează pe utilizarea radiațiilor inducând - la expunerea la radiatii atom cuantic in stare excitată, tranziția de electroni are loc de la o stare cu o energie de o stare de energie. urmat de c energia fotonilor emisie egală cu energia fotonilor indemnand h # 957; = -.

Într-un mediu cu o concentrație suficientă de atomi excitați prin prin care trece radiația, se poate obține în modul de amplificare, dacă numărul de fotoni formate pierderi de absorbție substanțial mai mari și împrăștiere.

Laserul de injecție este prezentată în Figura 1.3

Fig. 1.3.Shema dispozitiv cu laser injecție semiconductor (diode laser)

Figura 1. 4 prezintă poziția nivelului Fermi în semiconductori intrinseci și extrinseci. Una dintre cele mai importante proprietăți ale nivelului Fermi constă în faptul că într-un sistem format dintr-un n- semiconductor și de tip p și dacă acestea nu sunt se aplică o tensiune, nivelurile Fermi ele sunt aliniate (fig. 1 și 4). Dacă acestea sunt la potentiale diferite, nivelurile Fermi sunt deplasate de către potențialul valorii diferenței (Fig. 1 b 4).

Fig.1. 4. Diagrama energetică a injecției laser semiconductor: p-n joncțiune fără o tensiune externă aplicată (a); p-n joncțiune la aplicarea unei tensiuni externe în direcția înainte (b). d - lățimea p-n tranziție, l - lățimea efectivă a regiunii, oferind un laser.

În acest caz, zona de tranziție p-n creată de populație inversă și electronii face trecerea de la banda de conducție la banda de valență (recombina cu găuri). În acest caz, fotonii sunt emise. Conform acestui principiu de lucrări cu LED-uri. Când acești fotoni pentru a crea o conexiune pozitivă inversă sub forma unui rezonator optic, domeniul p-n tranziție la valori mari ale tensiunii externe aplicate pot fi obținute lasing. Procesul de formare și de recombinare a transportatorilor neechilibru are loc la întâmplare și are o capacitate redusă de emisie și este incoerent și nonmonochromatic. Acest lucru corespunde cu modul LED al oscilatorului semiconductoare. Când curentul este crescută peste valoarea de prag devine radiație coerentă, lățimea spectrală este mult mai îngustă, iar intensitatea crește dramatic - începe operația cu laser a oscilatorului semiconductor. Acest lucru crește, de asemenea, gradul de polarizare liniară a radiației generate.

Figura 1. 5 ilustrează schematic o structură a unei distribuții intensității radiației laser semiconductor și ieșire. De obicei, în astfel de rezonator laser, create prin lustruirea cele două părți diametral opuse ale cristalului perpendicular pe planul p-n intersecție. Aceste planuri sunt realizate în paralel și lustruite, cu un grad ridicat de precizie. O suprafață de ieșire poate fi considerată ca o fantă prin care trece radiația. Divergența unghiulară a radiației laser este determinată prin difracția radiației în această fantă. Când grosimea p-n tranziție în lățimea de 20 mm și - 120 mm, divergență unghiulară corespunde la aproximativ 60 în planul XZ, și 10 - în planul YZ.

Fig.1. 5. Schema de principiu pentru laser p-n intersecție. 1 Regiunea p-n joncțiune (strat activ); 2, secțiune a fasciculului laser în planul XY.

Fig. 1.6. dublu heterostructuri semiconductoare. strat metalizată 1-conductor pentru a face contact electric; 2 straturi GaAs (n); Al0.3Ga0.7As 3 straturi (n); 4 straturi corespunzătoare zonei de injectare a transportatorilor (p-n-tranziție); Al0.3Ga0.7As 5 straturi (p); GaAs 6 straturi (p); strat de oxid metalic 7-neconductiv pentru a limita curentul prin p-n-joncțiune, care formează regiunea lasing; Straturile -8,9- adiacente pentru a face contact electric; 10-substrat la radiator.

Fig. 1.7 Schema .Energeticheskaya heterostructuri duble, axa Y și numărul de straturi corespund Fig. 1. 6. # 916; decalaj EGC-bandă; # 916; EGV-band gap p-n-joncțiune.

Fig. 1. 8. Laser heterostructuri semiconductor: l - lungimea rezonatorului

substanță activă, care creează o Mediu-inversare a populației. In diferite tipuri de lasere poate fi un solid (cristal de rubin sau YAG, sticlă dopat cu neodim sub formă de tije de diferite mărimi și forme), lichide (coloranți soluții de anilină sau soluții de săruri de neodim în cuvetele) și gazul (amestec de heliu și neon, argon, dioxid de carbon, vapori de apă, de joasă presiune în tuburi de sticlă). materiale semiconductoare și plasmă rece, produsele de reacție chimică furnizează, de asemenea, un laser. Laserele sunt denumite în funcție de mediul activ.

In timp ce lasere cu semiconductori și sunt solide, au decis să aloce un grup special. In aceste lasere radiatii coerente obținute datorită trecerii electronilor de la marginea inferioară a benzii de conducție la marginea superioară a benzii de valență.

Există două tipuri de lasere semiconductoare.

Prima placă are un semiconductor nedopat, în care semiconductor este folosit ca arsenide GaAs galiu, CdS seleniură de cadmiu sulfuri sau CdSe cadmiu

Al doilea tip de laser semiconductor - așa-numita injecție cu laser - este compus din semiconductori dopați, în care concentrația de donor și acceptor de impurități este 1018-1019. Pentru diode laser utilizate în principal GaAs de galiu și.

Starea de inversare a populației în semiconductori la frecvența v este dată de:

Adică, radiația în cristal semiconductor singur amplificat, distanța dintre nivelurile Fermi de electroni și găuri trebuie să fie mai mare de lumină foton hv energie. Mai mică frecvență, mai mic nivelul populației inversiune de conducere se realizează.

Pomparea produce o inversare a populației în mediul activ, în care mediul este selectat pentru fiecare mod cel mai convenabil și eficient de pompare. Laserele solide și lichide folosind lămpi flash sau lasere excita mediu de gaz prin descărcare electrică, semiconductori - electrocutării.

Laserele de pompare semiconductor fascicul de electroni utilizat (pentru lasere semiconductoare cu semiconductori nedopat) și furaje tensiune înainte (pentru lasere injecție semiconductor).

Pomparea fasciculului de electroni poate fi transversal (Fig. 3.1) sau longitudinal (Fig. 3 .2). Pompat două fețe transversal opuse ale cip semiconductor lustruit și să joace rolul de oglinzi cavității optice. În cazul oglinzilor exterioare se aplică de pompare longitudinală. Când pomparea longitudinală semnificativ îmbunătățită răcirea semiconductorului. Un exemplu de astfel de laser - laser de sulfura de cadmiu generator de radiație cu o lungime de undă de 0,49 microni și având un randament de aproximativ 25%.

Fig. 3.1 - pomparea Transversal a fasciculului de electroni

Fig. 3.2 - fascicul de electroni de pompare longitudinala

Laserul de injecție are un p-n-joncțiune, formată din două semiconductori de impurități degenerate. Atunci când se aplică o tensiune directă este coborâtă potențială barieră în p-n-joncțiune și sunt injectate electroni și goluri. În regiunea de tranziție începe recombinarea intensă a purtătorilor de sarcină la care electronii merg din banda de conducție la banda de valență și a radiației laser apare (fig. 3.3).

Fig. 3.3 - Principiul dispozitivului de injecție cu laser

Pomparea ofera un laser mod continuu sau în impulsuri.

Rezonatorpredstavlyaet o pereche de oglinzi care sunt paralele între ele, între care este plasat mediul activ. O oglindă ( „orb“) reflectă toate luminii incidente; al doilea semitransparent, o parte din radiația revine în mediul de emisie stimulată și este transmisă la porțiunea exterior sub forma unui fascicul laser. Deoarece oglinzile „oarbe“ folosesc adesea prismă internă totală, ca și translucide - o stivă de plăci de sticlă. Mai mult, alegerea distanței dintre oglinzile, rezonator poate fi reglat astfel încât radiația laser va genera doar un singur tip bine definite (așa-numita moda).

Cel mai simplu rezonator optic, un larg utilizat în toate tipurile de lasere este rezonator plat (interferometer Fabi - Pen) constând din două plăci plane paralele dispuse, la o distanță unul față de celălalt.

După cum se poate folosi o oglindă placă orb al cărui coeficient de reflexie este aproape de unitate. A doua placă trebuie să fie semi-transparent pentru radiațiile generate ar putea ieși din rezonator. Pentru a mări coeficientul de suprafețe de reflecție asupra plăcilor sunt aplicate de obicei cu mai multe straturi de acoperire reflectorizante dielectrice. Absorbția luminii în astfel de acoperiri este practic inexistent. Uneori, acoperiri reflectorizante sunt aplicate direct pe capetele tijelor coplanare ale mediului activ. Apoi este eliminat necesitatea unei oglinzi la distanță.

Fig. 4.1. Tipuri de cavități optice: și - un apartament, - prismă, a - confocala r - polukontsentrichesky, d - compus, e - inelul, x, z - încrucișate, și - cu oglinzi. Bragg Hașurată elemente active.

Prismei dreptunghiulare (Fig. 4.1b) poate fi folosit ca o oglindă de capăt într-o cavitate optică. Raze de lumină incidență perpendiculară pe planul interior al prismei, rezultând reflexia totală dublă afară din acesta într-o direcție paralelă cu axa rezonatorului.

În loc de plăci plate oglindă semitransparentă concave pot fi utilizate în rezonatoare optice. Două oglinzi cu raze de curbură egală aranjate astfel încât focarele lor sunt la un punct P (fig. 4.1, c) formează un rezonator confocal. Distanța dintre oglinzile l = R. În cazul în care această distanță este redus la jumătate, astfel încât centrul de o oglindă a fost pe suprafața altuia, puteți obține un rezonator confocală.

Pentru cercetare și diverse aplicații sunt utilizate rezonatoare mai complexe, care constă nu numai din oglinzi, dar alte elemente optice, care să permită să controleze și să schimbe caracteristicile radiației laser. De exemplu, Fig. 4. 1 d -. Un rezonator compozit, în care a rezumat radiațiile generate de cele patru elemente active de. De gyros cu laser folosit un rezonator inel, în care cele două grinzi se propagă în direcții opuse de-a lungul unei polilinii închise (fig. 4. 1, e).

Multicomponent traversat rezonatoare (Fig. 4. 1 g, h) sunt utilizate pentru a crea elemente logice ale calculatoarelor și a modulelor integrate. Aceasta este, în esență, un set de lasere care permit excitarea lor selective și combinate cu cuplaj optic puternic.

O clasă specială de lasere face lasere cu feedback-ul distribuit. In rezonatoare optice convenționale feedback-ul este stabilit datorită reflectarea radiației generate de oglinzile rezonator. În cazul în care are loc reflectarea de alocare a feedback-ului dintr-o structură periodică optic neomogene. Un exemplu de o astfel de structură este o rețea de difracție. Acesta poate fi creat prin mijloace mecanice (Fig. 4. 1, și) sau un efect selectiv asupra mediului omogen.

rezonatoare de design folosite și alte.

Prin definiție, elementele rezonatorului trebuie să includă, de asemenea, supape active și pasive, modulatoare de radiație, polarizatoare și alte elemente optice folosite la prepararea generării.

Pierderile în cavitatea

generarea de radiație pot fi reprezentate ca simplistă: substanta de lucru cu laser este plasat în cavitatea și include un sistem de pompare. Sub influența unei inversiune externe a populației de excitație este creată, în timp ce coeficientul de absorbție într-un anumit domeniu spectral este mai mică decât zero. În timpul excitație, înainte de crearea inversiune populației, mediul de lucru începe să luminesce. Trecând prin mediul activ, emisia spontană este îmbunătățită. Câștigul este determinat prin căi ușoare câștig lungime în mediul activ. In fiecare tip rezonatoare sunt alese astfel încât direcția razele de lumină din cauza reflexia oglinzilor trece prin mediul activ, în principiu, un număr infinit de ori. De exemplu, într-o cavitate plană prin mediul activ poate trece doar razele de înmulțire paralel cu axa rezonatorului. Toate razele rămase sunt incidente pe oglinda la un unghi față de axa rezonator, după una sau mai multe reflecții din ea. Deci, există pierderi.

Mai multe tipuri distincte de pierderi în rezonatorul:

1.Poteri pe oglinzi.

Din moment ce o parte din radiația generată în mediu trebuie să fie dedus din oglinzile rezonatorului sunt folosite (cel puțin una dintre ele) sunt translucide. În cazul în care coeficienții de reflexie cu oglindă de intensitate egală R1 și R2. pierderea eficienței producției radiației rezonatorului pe unitatea de lungime este dată de formula:

În cazul în care fasciculul este distribuit în interiorul cavității nu este strict suprafața normală a oglinzii, apoi, după un anumit număr de reflexii acesta ajunge marginile oglinzii și se lasă cavitatea.

3. Pierderea de difracție.

Luați în considerare un rezonator format de două plane oglindește rază în jurul unei. Să o oglindă 2 cade fascicul paralel de radiații cu o lungime de undă # 955;. Raza reflectată de oglindă și simultan pentru diffracted unghi d # 981; ≈ # 955; a. Numărul Fresnel de rezonator pentru un anumit număr numit de treceri între oglinzi, atunci când unghiul total de divergență a fasciculului se va ajunge la radiația ne îndepărta de la marginile oglindă # 981; = a / L

4.Rasseyanie de neomogenități ale mediului activ.

În cazul în care cavitatea este umplută cu un mediu activ, atunci există surse suplimentare de pierderi. Odată cu trecerea radiației prin mediul activ al radiației împrăștiate prin neregularitățile și incluziuni străine, precum și slăbit ca urmare a absorbției non-rezonante. Sub absorbția non-rezonant înțeleg absorbția asociată cu tranziții optice între nivelurile de nelucratoare pentru mediu. Acest lucru poate fi atribuit pierderile asociate cu împrăștierea parțială și absorbția energiei în oglinzi.