Оптический резонатор

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора^[21], и ослабляя другие^[16]. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое (в смысле «не дробное») число полуволн n:

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым^[22]. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии^[12].

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид^[16]:

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные

Полупроводниковые лазеры

При взаимодействии электрона с внешним возбуждением в полупроводниках электрон, поглощая энергию, переходит из состояния с низким энергетическим уровнем в состояние с высоким энергетическим уровнем. Рассмотрим p-n-переход: Если к нему приложить прямое напряжение U_R, то в p-области будет происходить инжекция электронов, а в n-области - дырок (в результате диффузии неосновных носителей зарядов). Эти неосновные носители, встречаясь с основными, будут рекомбинировать, излучая свет с длиной волны, соответствующей ширине запрещенной зоны .

Поскольку диффузионная длина электронов много больше, чем диффузионная длина дырок L_de >> L_dh, то световое излучение возникает, в основном, в p-области. Прибор, использующий p-n-переход (равный ширине запрещенной зоны E_g), называют полупроводниковым лазером с гомоструктурным переходом. Полупроводниковый лазер является "пороговым прибором". Если увеличить ток инжекции (т.е. увеличивать U_R - прямое напряжение), то при превышении некоторого порогового значения I_пор возникает резкое линейное увеличение мощности лазера на выходе. В близи I_пор наблюдается качественное изменение процесса: медленный рост мощности излучения переходит скачком в режим насыщения при генерации излучения.

При I < I_пор излучение лазера представляет собой сумму фотонов со случайными фазами - некогерентное излучение.

В области I > I_пор при переходе в режим генерации происходит упорядочение фазы и возникает когерентное излучение.

Полупроводниковый лазер, также как и лазеры других типов, представляет собой резонатор с помещенной внутрь его активной средой. Так как коэффициент преломления полупроводникового материала большой, то плоскости спайности лазерного кристалла (кристаллографические плоскости роста) служат отражательными зеркалами резонатора.

Слабый свет, возникающий в лазере под действием спонтанных переходов, усиливается активной средой при многократном отражении от резонаторных зеркал, расположенных на торцах кристалла. В конечном счете образуется лавина вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. Лазерная генерация возникает тогда, когда оптическое усиление компенсирует потери энергии внутри резонатора, складывающееся из потерь в активной среде и потерь на отражение. Это соответствует пороговому току I_пор инжекции. При дальнейшем увеличении тока инжекции усиление равно пороговому усилению и сопровождается резким увеличением мощности оптического излучения лазера.

В настоящее время кроме лазеров на p-n-переходе широко используются лазеры на гетеропереходах (двойных гетероструктурах).

Работа полупроводникового лазера на гомо-p-n-переходе впервые наблюдалась Жоресом Ивановичем Алферовым в лаборатории Контактных явлений в полупроводниках в ФТИ им. А.Ф.Иоффе в 1962г. на кристаллах GaAs.

Это был гомолазер GaAs, изготовленный при помощи диффузии акцепторной примеси. Пороговое значение тока было , что из-за выделения значительного тепла при комнатной температуре делало невозможным его работу в непрерывном режиме.

Практическая реализация непрерывного режима была впервые достигнута в США в "Бэлл лаборатриз" Н.Хаяси и М.Б.Панишем в 1970г. Ими был изготовлен лазер на двойной гетероструктуре с различной шириной запрещенной зоны в p- и n- областях, что позволило уменьшить пороговую плотность тока при комнатной температуре до .

Снижение порогового тока в гетеролазерах достигается за счет каналирования инжектированных носителей в узкой области, ограниченной потенциальными баръерами гетероструктуры, а так же за счет каналирования спонтанного излучения в этой же области под действием волноводного эффекта, возникающего из-за различия в показателях преломления материалов гетероструктуры.

Если "+" напряжение питания приложен к p-области, а "-" - к n-области, то в активный слой инжектируются и дырки и электроны, где они рекомбинируют с излучением hv. Свет достигает плоскостей резонатора и отражаясь от них, не выходит в другие слои структуры из-за разницы показателей преломления. Когда сопутствующая этому процессу добавка энергии становится выше потерь внутри структуры, возникает когерентное лазерное излучение.

Длина волны лазерного излучение определяется материалом активного слоя. Например, если активный слой сделан из GaAs, то при комнатной температуре, если из , где x - молярная концентрация Al в структуре, то . Если использовать , то от .

Оптические волокна для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) имеют минимальные потери на длинах волн . Для передачи информации по ВОЛС лучше всего использовать лазеры с активным слоем из . За разработку таких лазеров на тройных и четверных твердых растворах Ж.И.Алферов получил Нобелевскую премию в декабре 2000 года.

схемы оптических резонаторов