Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
59
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
292.86 Кб
Скачать

СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»

НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ №5

Экз.№

полковник

В. Никулин

199 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

«Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника»

для курсантов

2 –х курсов СВВИУС

Тема:

№ 9

Светоизлучающие приборы

Лекция

№18

Квантовые приборы оптического диапазона

Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)

199 г.

Протокол №

Ставрополь 1997 г.

Учебные и воспитательные цели:

Время ........................

90 мин.

Учебно-материальное обеспечение

  1. Диафильм «Оптические квантовые генераторы»

  2. ЛЭТИ

Распределение времени лекции

Вступительная часть ........................

5 мин.

Учебные вопросы лекции

  1. Физические основы работы квантовых генераторов

  2. Устройство и принцип действия газовых лазеров

  3. Устройство и принцип действия твердотельных лазеров

Заключение

20 мин.

30 мин

27мин

5 мин.

Задание курсантам для самостоятельной работы..................

3 мин.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

Использованная при подготовке лекции литература

1.Анашкин В.А., Колосов Л.В. Основы микроэлектроники. ч.II. Основы функциональной микроэлектроники. – Ставрополь: СВВИУС, 1989, с.3–24.

2.Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Уч. пос. для приборостроит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1987.

Лекцию разработал

старший преподаватель кафедры № 5

майор С.Бондарь

« « 1998 г.

Содержание лекции

1. Физические основы работы квантовых генераторов

Принцип работы квантовых генераторов основан на излучении вещества при вынужденном (индуцированном) переходе атомов и молекул с одного уровня энергии на другой.

Атомы вещества могут иметь только определенные дискретные энергетические уровни. Известно, что атом, например, водорода состоит из ядра (протона) и вращающегося вокруг него по определенным орбитам (их может быть N) электрона. Заряд электрона равен по величине, заряду протона, но противоположен по знаку. В целом атом водорода электрически нейтрален. Ядро водорода и его электрон взаимодействуют друг с другом посредством электростатической силы. В обычном состоянии электрон в атоме водорода находится на первой, ближайшей к ядру орбите и характеризуется энергией Е1 (основной энергетический уровень). Для перевода электрона на более удаленный энергетический уровень ему необходимо сообщить дополнительную энергию (например, путем повышения температуры или поглощение фотонов с электромагнитной энергией, равной разности между уровнями энергии). Так, на втором уровне электрон будет иметь энергию:

где  – энергия фотона.

Это состояние электрона называется возбужденным, а уровни с более высокой энергией называются возбужденными.

Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии, он всегда стремится принять состояние с наименьшей энергией, т.е. вернуться в нормальное стационарное состояние. При переходе электрона на более низкий энергетический уровень атом испускает фотон, обладающий количеством энергии:

 = hEm-En,

где – значения энергии верхнего m и нижнего n энергетических уровней;

h=6.62 10-34 Дж с -постоянная Планка;

- частота электромагнитного излучения.

Так как переходы в атоме могут совершаться между любыми уровнями, то получается целая серия частот, так называемый спектр излучения атома. У каждого типа атома (химического элемента) свой спектр частот. Чем атом сложнее, тем сложнее его спектр.

Следует заметить, что излучение и поглощение света при переходе из одного энергетического состояния в другое характерно не только для атомов, но и для молекул и ионов.

При самопроизвольном (без внешних причин) переходе электрона на более низкий энергетический уровень излучение получило название спонтанного. Оно имеет случайный характер и представляет собой беспорядочную смесь квантов с различными длинами волн, которые не по длине, не по фазе не согласованы, т.е. отсутствуют жесткая закономерность и согласование переходов, как по уровням, так и по времени. Спектр такого излучения широкий, а само излучение не когерентно. Это характерно для ламп накаливания и газоразрядных ламп.

Еще в 1917 году А. Эйнштейн предсказал, что на ряду со спонтанным излучением должно существовать вынужденное, индуцированное (стимулированное) излучение. Сущность его в следующем.

Возбужденная частица (атом, молекула, ион) переходит в нормальное состояние с испусканием кванта света (фотона) под действием внешнего кванта. При этом оба кванта совершенно неотличимы, т.е. их длина волны, направление распространения и фаза точно совпадает. Получаем когерентное излучение с узкой спектральной линией. Эти два фотона в возбужденной системе вызовут индуцированные переходы, в конечном итоге образуя лавинообразный процесс. Происходит усиление света, прошедшего через возбужденную среду, получившую название активной среды. Среда считается активной, если на более высоком уровне находится больше частиц, чем на нижнем. Данное состояние называют инверсной заселенностью. Оно поддерживается искусственно. Например, путем нарушения теплового равновесия с помощью вспомогательного излучения (накачки), электрического разряда в газе, инжекции (вспрыскивания) извне электронов и дырок в полупроводнике или его бомбардировке пучком электронов и других методов.

Итак, если на вещество с инверсной заселенностью направить излучение с частотой соответствующей частоте квантового перехода атомов, то есть:

= ( E2 - E1) / h,

т

Рис.1 Оптический квантовый усилитель.

Рис.2 Оптический квантовый генератор.

о проходящая через активную среду световая волна будет усиливаться. При этом усиление электромагнитных колебаний за счет индуцированного характера излучения является когерентным. На рис.1 приведена функциональная схема оптического усилителя.

Чтобы усилитель световых волн стал генератором, необходима положительная обратная связь. Для этого активное вещество (активная среда) помещается в резонатор, состоящий из двух параллельно расположенных на одной оси зеркал, одно из которых, полупрозрачно, что позволяет выводить часть излучения наружу, рис.2.

Многократное отражение и прохождение света через активную среду вдоль её оси обеспечивает значительное регенеративное оптическое усиление света , т.е. свет , проникает через активную среду, усиливается в раз (- коэффициент квантового усиления вещества, L - расстояние между зеркалами), отразившись от зеркала и пройдя еще раз через среду, свет усиливается еще в раз и т.д. Если усиление превышает суммарные потери в активной среде и зеркалах резонатора, то возможна генерация света. Говоря иными словами, для генерации света необходимо выполнение условия баланса фаз и баланса амплитуд.

Уравнение баланса фаз имеет вид:

где ,- изменение фазы волны при отражении от зеркал; n= 0,1,2,3......

Уравнение баланса амплитуд записывается в виде:

где r1 , r2- модули коэффициента отрицания на зеркалах;

- коэффициент дифракционных потерь при отражении от зеркала;

- потери на единицу длинны активной среды;

- коэффициент усиления индуцированного излучения в активной среде.

У

Рис.3 Режим формирования стоячих волн.

равнение баланса фаз означает
, что в равновесном состоянии волна, пройдя путь 2L, получает фазовый сдвиг кратный целому числу периодов. Этим обеспечивается положительная обратная связь в генераторе, благодаря чему непрерывно воспроизводятся колебания неизменной частоты.

Иначе говоря, в резонаторе образуются стоячие волны (см. рис.3), и для успешного формирования излучения ОКГ необходимо, чтобы между зеркалами укладывалось целое число полуволн:

.

В уравнении баланса амплитуд множитель описывает индуцированное излучение, а остальные множители левой части равенства характеризуют потери в резонаторе. Следовательно, колебания в ОКГ будут существовать при условии, если индуцированное усиление в активной среде компенсирует потери в активном резонаторе.

Для поддержания непрерывных колебаний в лазере усиление в активной среде должно иметь стационарное значение:

Это усиление достигается при некоторой пороговой населенности верхнего уровня излучательного перехода N2пор. Если N2 < N2пор, то колебания в ОКГ будут затухающими.

ОКГ обладают высокой степенью монохроматичности .

ОКГ должен иметь в своем составе, как минимум, активное вещество, резонатор и систему возбуждения. В настоящее время существует множество лазеров разного типа. Они различаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки наиболее универсальны оптическая и накачка с помощью электрического разряда в самой активной среде.

Накачка может быть непрерывной и импульсной. Импульсная накачка удобна для получения импульсного лазерного излучения и выгодна, в частности тем, что активная среда меньше нагревается и, следовательно, облегчается ее охлаждение.

В зависимости от типа активной среды различают твердотельные, жидкостные и газовые лазеры.

Твердотельные лазеры. Активная среда - диэлектрический кристалл или специальное стекло. Возможность лазерного излучения существует у нескольких сотен различных диэлектрических кристаллов. Примером твердотельного лазера может служить лазер на рубине, исторически первый и широко используемый в настоящее время. Рубин представляет собой оксид алюминия с примесью ионов хрома.. Лазер на рубине дает излучение темно-красного цвета с длиной волны около 0,69 мкм. Для твердотельных лазеров применяют исключительно оптическую накачку, например в виде излучения газоразрядных ламп или ламп накаливания. Источником накачки может быть также вспомогательный лазер.

Полупроводниковые лазеры. Хотя они являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.

Жидкостные лазеры. В качестве активной среды чаще всего используются растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Известны несколько сотен различных органических красителей, пригодных для лазерной генерации. Они позволяют получать излучение с длиной волны от 0,3 до 1,3 мкм, то есть от ультрафиолетового до инфракрасного. Для жидкостных лазеров применяют непрерывную или импульсную оптическую накачку от вспомогательного лазера или газоразрядной лампы.

Газовые лазеры. Существует много разновидностей:

  • газоразрядные;

  • газодинамические;

  • химические;

  • плазменные и др.

Наиболее распространенными изделиями квантовой электроники являются газоразрядные лазеры.