- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
1.11.5 Селекция типов колебаний
В оптических резонаторах может одновременно возбуждаться большое число собственных колебаний. Вследствие этого лазер обычно излучает целый набор различных частот, которые лежат внутри линии люминесценции активного вещества (рис.2.14).
Каждому типу колебаний в резонаторе соответствует определённое значение частоты и распределение поля на поверхности зеркал. Поэтому при наличии большого числа поперечных и продольных типов колебаний спектр излучения состоит из множества частот, структура поля является сложной, а диаграмма направленности имеет изрезанную форму.
Когда генерируются колебания только одного низшего поперечного типа TEM00q, в спектре остаются лишь частоты, соответствующие продольным колебаниям, поле на зеркалах описывается функцией Гаусса, диаграмма излучения сужается и становится гладкой.
Многомодовый режим работы генератора значительно ухудшает когерентность и монохроматичность излучения, а также искажает и расширяет его диаграмму направленности. Для большинства научных и практических целей необходимо, чтобы оптический генератор излучал колебания только основного типа и одной частоты. В связи с этим принимаются специальные меры подавления нежелательных типов колебаний высших порядков. В многомодовом режиме мощность излучения сложным образом распределяется по различным типам колебаний, так что в основном типе излучается лишь малая часть общей мощности. При подавлении колебаний высших порядков внешняя энергия преобразуется в основной тип колебаний, и, хотя общая энергия излучения не увеличивается, мощность, сосредоточенная в этом одном типе колебаний, заметно возрастает.
Селекция поперечных типов колебаний.
Подавление нежелательных поперечных типов колебаний достигается созданием в оптическом резонаторе условия, при котором дифракционных потерь для колебаний высших порядков становится больше, чем для колебаний основного типа TEM00q. Это можно осуществить либо подбором специальной конфигурации резонатора, либо введением в резонатор оптических элементов (линз, диафрагм), либо наклоном зеркал.
Рассмотрим в качестве примера метод селекции поперечных мод с помощью диафрагмы круглой формы установленной на оптической оси резонатора
Рис.1.28. Схема селекции поперечных мод диафрагмой.
Как видно из рисунка 1.26 распределение поля в резонаторе для различных типов колебаний таково, что основной тип TEM00q концентрируется вблизи оси резонатора, а поля других высших типов простираются от оси тем дальше, чем более высоким порядкам они соответствуют. Поэтому внесение в резонатор диафрагмы будет сильнее сказываться на потерях высших типов колебаний. Подбором размеров диафрагмы можно добиться подавления всех типов колебаний кроме основного TEM00q. Применяются и другие оптические схемы селекции, основанные на этой идее.
Селекция продольных типов колебаний.
Количество продольных мод, возбуждающихся в резонаторе, определяется шириной люминесцентной кривой активного вещества, базой резонатора L и уровнем накачки. Изменяя уровень накачки и базу резонатора L можно в определенной степени регулировать ширину спектра генерации лазера , где N – число возбужденных продольных мод. Однако наиболее универсальный метод селекции продольных мод основан на использовании систем связанных резонаторов (рис.1.29)
Рис.1.29. Оптическая схема связанных резонаторов.
В таких системах, по сравнению с обычным двухзеркальным резонатором, могут возбуждаться неэквидистантные по частоте продольные моды, относительный коэффициент усиления которых зависит от свойств и настройки резонатора. Подбором длин резонаторов L, L1 и L2 , а также коэффициента связи между ними можно добиться селективного возбуждения одного или нескольких продольных мод, подавив или существенно ослабив все остальные. На практике наиболее распространенной является схема, когда съюстированные зеркала З2 и З3 расположены плотно друг к другу. В результате такая система образует выходное зеркало являющееся селективным резонатором Фабри-Перо, образованным несколькими отражающими зеркальными поверхностями.