Московский государственный университет печати

Сидоров А.С.


         

Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии

Учебное пособие


Сидоров А.С.
Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

Лазерное излучение

1.1.

Физические принципы

1.2.

Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.3.

Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

2.

Лазеры

2.1.

Сведения общего характера

2.2.

Твердотельные лазеры

2.3.

Газовые лазеры

2.4.

Полупроводниковые лазеры

3.

Преобразователи лазерного излучения

3.1.

Базовые физические эффекты

3.2.

Поляризационные призмы и пластины

3.3.

Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.4.

Акустооптические преобразователи

4.

Оптико-электронное оснащение лазеров

4.1.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.2.

Способы и средства лазерного сканирования

4.3.

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.4.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.5.

Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

5.

Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

5.1.

Сканеры, читающие автоматы

5.2.

Голография

5.3.

Измерительная техника

5.4.

Волоконно-оптические линии связи

6.

Лазерная техника отображения и записи информации

6.1.

Фотонаборные машины и автоматы

6.2.

Принтеры, электрофотографические аппараты

6.3.

Системы компьютер - печатная форма

6.4.

Оптические запоминающие устройства и среды

Библиографический список

Указатели
37  именной указатель
349  предметный указатель
534  указатель иллюстраций

2.
Лазеры

Принципиальные особенности, технические достоинства лазеров. Твердотельные лазеры: конструкция, материалы, оптическая накачка. Рубиновые лазеры, ИАГ-лазеры, лазеры на неодимовом стекле. Газовые лазеры: конструкция, материалы, накачка электрическим разрядом. Кадмиевые, аргоновые, гелий-неоновые лазеры; лазеры на углекислом газе. Полупроводниковые лазеры: конструкция, материалы, гомо- и гетероструктуры, электронное и оптическое ограничение активной области. Инжекционные лазеры с двойной гетероструктурой.

2.1.
Сведения общего характера

2.1. Указать принципиальные особенности лазеров различного типа и назначения.

ЛазерЛазеры существенно различаются:

  • рабочей средой, которой служат твердые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости;

  • способом создания в среде Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсии населенностей, по существу, способом накачки (оптической накачкой, возбуждением электронным разрядом, интенсивной инжекцией заряда, мощным электронным облучением, химической накачкой);

  • конструкцией резонатора;

  • режимом действия (непрерывным, импульсным).

Указанные различия непосредственно определяют функциональные и технические возможности конкретных лазеров, активно влияют на их назначение и целесообразное применение.

2.2. Выделить существенные технические достоинства лазеров.

Безусловными и значительными достоинствами Лазерлазеров являются:

  • Направленность лазерного излученияэффективная фокусировка, высокая направленность, малая расходимость лазерного излучения;

  • концентрация световой энергии в небольших объемах, громадная плотность энергии, малая зона энергетического (теплового) воздействия;

  • большая дальность действия, высокая точность и разрешающая способность лазерного луча;

  • формирование кратковременных импульсов света, значительная мощность лазерного излучения;

  • монохроматичность, высокая стабильность частоты Лазерные колебаниялазерных колебаний;

  • малая длина волны, высокая частота лазерных колебаний, большая пропускная способность каналов оптической (лазерной) связи;

  • широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области), обеспеченный промышленными (серийными) источниками лазерного излучения;

  • эффективная гальваническая развязка (бесконтактное взаимодействие) источника лазерного излучения и объектов оптического воздействия;

  • повышенная помехоустойчивость и помехозащищенность («скрытность») лазерной связи;

  • возможность пространственной модуляции лазерного излучения, расширяющей функциональные возможности лазеров.

2.3. Определить требования к Лазерные материалывеществам (материалам), которые используются в Лазерлазерах в качестве Активная средаактивной среды.

Такие вещества (лазерные материалы) должны ссылка на источники литературы:

  • иметь набор четко выраженных энергетических уровней, позволяющих эффективно воспринимать энергию внешней накачки и с минимальными потерями преобразовывать ее в электромагнитное (оптическое, лазерное) излучение;

  • обладать высокой оптической однородностью, позволяющей существенно уменьшить частичное поглощение (потери) света в лазерной (активной) среде;

  • быть стойкими к перепадам температуры, влажности, различным физико-химическим воздействиям;

  • иметь высокую теплопроводность и малый коэффициент термического расширения;

  • сохранять состав и свойства в процессе функционирования лазера.

Твердые лазерные материалы должны к тому же обладать высокой прочностью и не разрушаться при механической обработке (резке, шлифовке, полировке), необходимой в процессе изготовления активных элементов (лазерных стержней).

2.2.
Твердотельные лазеры

2.4. Рассмотреть на примере рубинового лазера конструкцию (устройство) Твердотельный лазертвердотельных лазеров с оптической накачкой.

Вариант конструкции рубинового лазера с оптической Накачка лазеранакачкой ссылка на источники литературы представлен на рис. 2.1.Рис. 2.01. Рубиновый лазер с оптической накачкой: элементы конструкции В составе лазерного резонатора рубиновый стержень 1 и два параллельных зеркала: непрозрачное 2 и полупрозрачное (выходное) 3, частично пропускающее лазерное излучение. Оптическую накачку лазера обеспечивает импульсная (например, ртутная или ксеноновая) лампа 4, которая включается при замыкании ключом 5 источника напряжения 6 на батарею конденсаторов 7. Необходимое охлаждение лазера обеспечивает система 8.

Спиральная импульсная лампа 4 окружает рубиновый стержень 1. Вспышка включенной лампы позволяет сформировать импульс света продолжительностью 0,5 мс.

2.5. Пояснить особенности конструкции Твердотельный лазертвердотельного лазера ссылка на источники литературы непрерывного действия (рис. 2.2, аРис. 2.02. Твердотельные лазеры непрерывного действия (варианты конструкции)).

В режиме непрерывного действия важно обеспечить максимально эффективную оптическую Накачка лазеранакачку лазера, концентрируя излучение лампы накачки в объеме лазера.

В конструкции (рис. 2.2, аРис. 2.02. Твердотельные лазеры непрерывного действия (варианты конструкции)) зеркала 1, 2 оптического резонатора и лазерный стержень 3 размещены вдоль фокальной оси 4. Лампа накачки 5 размещена вдоль другой (параллельной) фокальной оси 6.

Необходимую концентрацию света, излучаемого лампой 5, обеспечивает тщательно отполированный эллиптический цилиндр 7 (отражающие зеркала размещены за торцами цилиндра). При такой конфигурации большая часть света, излучаемого лампой накачки, проходит через лазерный стержень.

2.6. Рассмотреть конструкцию ссылка на источники литературы и особенности действия твердотельного лазера (рис. 2.2, бРис. 2.02. Твердотельные лазеры непрерывного действия (варианты конструкции)).

И в этом устройстве используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой («карандашной») конструкции. Зеркала 3 и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5. Для эффективного использования энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.

2.7. Пояснить состав группы и особенности применения ионных кристаллов с примесями в качестве активной среды Твердотельный лазертвердотельных лазеров.

Среди Лазерные материалылазерных материалов ссылка на источники литературы наиболее представительной является группа ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF2, LaF3, LiYF4), оксидов (например, Al2O3) или сложных соединений (CaWO4, Y3Al5O12, Ca5(PO4)3F) содержат в кристаллической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (самария Sm2+, диспрозия Dy2+, тулия Tw2+, Tw3+, празеодима Pr3+, неодима Nd3+, эрбия Er3+, гольмия Ho3+), переходных (хрома Cr3+, никеля Ni2+, кобальта Co2+, ванадия V2+) элементов или ионов урана U3+. Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе). Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия поглощается в основном примесными ионами.

Рассматриваемые лазерные материалы отличают высокая концентрация активных частиц (1019-1021 см-3), весьма небольшая ширина линии генерации (0,001-0,1 нм) и малая угловая расходимость генерируемого излучения. К недостаткам следует отнести низкий (1-5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе лампа накачки-кристалл, сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой оптической однородности.

Лазерные материалыЛазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, направленной кристаллизацией расплава в специальных (кристаллизационных) аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращенных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до 250 мм и диаметром 2-20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем полируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоскими торцами, параллельными друг другу, с точностью 3-5", и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно применение торцов сферической или другой (нестандартной) конфигурации.

Химический состав и физические свойства Лазерные материалылазерных (твердотельных) материалов на базе ионных кристаллов с примесями представлены в табл. 2.1.

Kристалл         Активная примесь Основные длины волн лазерной генерации, мкм
Вещество Содержание % (по массе)
Al2O3 Cr3+ 0,03–0,7 0,6943

0,6929

Y3Al5O12 Nd3+ 0,5–2,5 1,0641
CaWO4 Nd3+ 0,5–3 1,058
CaF2 Dy2+ 0,02–0,06 2,36
LaF3 Nd3+ 0,5–2 1,0631

1,0399

2.8. Представить состав группы, пояснить особенности использования стекол с примесями в качестве Активная средаактивной среды Твердотельный лазертвердотельных лазеров.

В отличие от кристаллов лазерные стекла ссылка на источники литературы имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO2, B2O3, P2O5, BeF2 в них содержатся Na2O, K2O, Li2O, MgO, CaO, BaO, Al2O3, Sb2O3. Активными примесями служат чаще всего ионы неодима Nd3+, используются также гадолиний Gd3+, эрбий Er3+, гольмий Ho3+, иттербий Yb3+. Концентрация ионов неодима Nd3+ в стеклах доходит до 6% (по массе).

В стеклах (лазерных материалах) достигается высокая концентрация активных частиц. Другим достоинством стекол является возможность изготовления активных элементов больших размеров (до 1,8 м длиной и до 70 мм диаметром) практически любой формы с очень высокой оптической однородностью. Стекла варят в платиновых или керамических тиглях.

К недостаткам стекол в качестве Лазерные материалылазерных материалов следует отнести относительно широкую полосу генерации (3-10 нм) и низкую теплопроводность, препятствующую быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке.

2.9. Рассмотреть принцип действия рубинового лазера ссылка на источники литературы.

Рубиновый лазерРубин (от лат. ruberus - красный и позднелат. rubinus) является разновидностью минерала корунда (Al2O3), но содержит примеси ионов хрома Cr3+ (от сотых долей до 2%, как правило, 0,05%), которые замещают ионы алюминия Al3+ и (в отличие от бесцветного корунда) определяют красный цвет рубина.

Энергетические диаграммы квантовых уровней и переходов, поясняющие действие рубинового лазера в первом (качественно верном) приближении, представлены на рис. 2.3, аРис. 2.03, а. Энергетические диаграммы рубинового лазера. Исходным является уровень относительно небольшой энергии E1. При освещении рубина источником света, обладающего большой интенсивностью в синей и зеленой областях спектра, ионы хрома Cr3+ переводятся с базового уровня E1 на возбужденные уровни E3 и E4, которые в данной структуре представляют достаточно широкие энергетические полосы.

Далее за небольшое время (~0,5 нс) ионы хрома Cr3+ без излучения (с передачей избытка энергии колебаниям кристаллической решетки) переходят на уровни E2, E2' и создают на этих энергетических уровнях высокую концентрацию микрочастиц (инверсию населенностей) по сравнению с основным уровнем E1.

Время жизни ионов хрома Cr3+ на уровнях E2 и E2' составляет микросекунду. В дальнейшем ионы хрома возвращаются на основной уровень E1, обеспечивая энергетические переходы E2  E1, E2'  E1 и лазерное излучение в красной области спектра. Длина волны лазерных колебаний рубина λ = 694,3 нм. Поскольку нижний лазерный уровень E1 является основным энергетическим уровнем рубина, такой лазер относится к трехуровневым системам.

Детализированные энергетические уровни и переходы Рубиновый лазеррубинового лазера с конкретными цифровыми показателями представлены на рис. 2.3, бРис. 2.03, б. Энергетические диаграммы рубинового лазера. По оси ординат действует шкала энергий с размерностью, пропорциональной 1 cм-1. При этом в качестве базового параметра здесь (и далее) используется волновое число 1 cм-1, соответствующее длине волны λ = 1 см. Величину 1 cм-1 согласно ссылка на источники литературы можно рассматривать и использовать как меру энергии hν фотона с частотой ν = c/λ = 3 ×1010 Гц.

Обозначения энергетических уровней (типа 4F1 или 4A2), принятые в квантовой механике, используются на рис. 2.3, бРис. 2.03, б. Энергетические диаграммы рубинового лазера (и в дальнейшем) непосредственно (без комментариев и поправок).

Возвращаясь к энергетической диаграмме (рис. 2.3, бРис. 2.03, б. Энергетические диаграммы рубинового лазера) Рубиновый лазеррубинового лазера, подчеркнем, что в первую очередь ионы хрома Cr3+ в процессе накачки переходят на уровни 4F2 и 4F1, далее на уровни 2А и Е и, наконец, на исходный уровень 4A2. Очевидно, что в этом (относительно простом) варианте диаграммы (рис. 2.3, а, бРис. 2.03, а. Энергетические диаграммы рубинового лазераРис. 2.03, б. Энергетические диаграммы рубинового лазера) мало различаются (даже в деталях). Поэтому в дальнейшем изложении (применительно к лазерам других типов) целесообразно совмещать (рассматривать совместно) детализированные энергетические диаграммы вида (рис. 2.3, бРис. 2.03, б. Энергетические диаграммы рубинового лазера) и обобщенные диаграммы трехуровневых (рис. 2.3, аРис. 2.03, а. Энергетические диаграммы рубинового лазера) и четырехуровневых лазеров.

2.10. Рассмотреть и пояснить спектр поглощения Рубиновый лазеррубинового лазера, представленный на рис. 2.4Рис. 2.04. Спектр поглощения рубина.

Лампы оптической накачки облучают рубиновый стержень зеленым и синим светом, переводя рубин на высокие энергетические уровни E3 и E4 (рис. 2.3Рис. 2.03, а. Энергетические диаграммы рубинового лазераРис. 2.03, б. Энергетические диаграммы рубинового лазера). Такой перевод связан с значительными энергетическими затратами. Интенсивное поглощение энергии оптической накачки в зеленом (λ= 0,55 мкм) и синем (λ = 0,4 мкм) диапазонах иллюстрируется ссылка на источники литературы рис. 2.4Рис. 2.04. Спектр поглощения рубина. Учитывается, что эффективность действия падающего света зависит от его направления относительно оптической оси анизотропного кристалла рубина. Воздействие по двум таким направлениям - параллельному (║) и перпендикулярному (┴) - отражено на рис. 2.4.Рис. 2.04. Спектр поглощения рубина.

2.11. Рассмотреть действие Твердотельный лазер (ИАГ)твердотельного лазера, построенного на основе иттриево-алюминиевого граната (ИАГ).

В ИАГ-лазере ссылка на источники литературы базовым материалом лазерного стержня является иттриево-алюминиевый гранат Y3Al5O12, в котором примесью служат ионы трехвалентного неодима Nd3+. Энергетические уровни неодима Nd3+ в ИАГ-лазере показаны на рис. 2.5.Рис. 2.05. Диаграмма энергетических уровней неодима в иттриево-алюминиевом гранате

ИАГ является твердым кристаллом с высокими оптическими качествами. Оптическая накачка осуществляется ксеноновыми лампами (при мощности накачки ~10 Вт) и криптоновыми лампами (при мощности накачки ~100 Вт). Такая накачка обеспечивает переход лазера на различные уровни высокой энергии (рис. 2.5.Рис. 2.05. Диаграмма энергетических уровней неодима в иттриево-алюминиевом гранате). Далее возбужденные частицы без излучения энергии переходят на уровень E3. Лазерный переход возбужденных частиц происходит между энергетическими уровнями E3 и E2 с длиной волны излучения λ = 1,0641 мкм. Важно подчеркнуть, что уровень E2 в такой системе расположен существенно выше основного состояния E1; таким образом, ИАГ-лазер является четырехуровневой квантовой системой (рис 1.4, бРис. 1.04. Стимулированное излучение фотонов в трехуровневых (а) и четырехуровневых (б) квантовых системах).

2.12. Рассмотреть и пояснить особенности Твердотельный лазертвердотельного лазера, выполненного из стекла с неодимом ссылка на источники литературы.

В таком лазере примесными частицами в стекле являются ионы неодима Nd3+. На рис. 2.6Рис. 2.06. Диаграмма энергетических уровней лазера на неодимовом стекле представлены энергетические уровни, поясняющие лазерные переходы возбужденных частиц в стеклянном лазере. Длина волны лазерного излучения λ = 1,059 мкм, а нижний энергетический уровень E2 заметно выше основного состояния E1; и этот лазер является четырехуровневым (рис. 1.4, бРис. 1.04. Стимулированное излучение фотонов в трехуровневых (а) и четырехуровневых (б) квантовых системах).

Многочисленные (широкие) энергетические линии в стекле заставляют использовать более высокую энергию накачки, но одновременно обеспечивают больший запас энергии и значительную выходную мощность лазерных колебаний.

2.3.
Газовые лазеры

2.13. Выделить существенные физические и технические свойства Газовый лазергазовых лазеров.

В газовых лазерахссылка на источники литературы трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал; одно из них является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения.

Газовые лазеры работают в весьма широком частотном диапазоне (от ультрафиолетового до далекого инфракрасного) и в импульсном и в непрерывном режимах. Технические данные о распространенных газовых лазерах непрерывного действия представлены в табл. 2.2.

Лазер    Длина волны, мкм    Мощность, Вт
Kадмиевый 0,3250 Тысячные доли
Kадмиевый 0,4416 Десятые доли
Аргоновый 0,4880 Единицы
Аргоновый 0,5145 Десятки
Kриптоновый 0,5682 Единицы
Гелий-неоновый 0,6328 Десятые доли
Гелий-неоновый 1,1523 Сотые доли
Kсеноновый 2,0261 Сотые доли
Гелий-неоновый 3,3912 Сотые доли
CO-лазер 5,6–5,9 Сотни
CO2-лазер 9,4–10,6 Десятки тысяч
Лазер на молекулах HCN 337 Тысячные доли

Среди Газовый лазергазовых лазеров, действующих в импульсном режиме, активное применение получили лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах неона Ne (λ = 0,2358 мкм и λ = 0,3328 мкм) и на молекулах азота N2(λ = 0,3371 мкм).

Газы по сравнению с твердыми телами и жидкостями обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому оптический луч в газах практически не искажается, не рассеивается и не теряет энергию. В результате направленность лазерного излучения в газовых лазерах резко возрастает до предела, определяемого дифракцией света. Расходимость светового луча газовых лазеров в области видимого света составляет 10-5-10-4 рад, а в инфракрасной области 10-4-10-3 рад.

В газовых лазерах стабильность частоты излучения зависит главным образом от неподвижности зеркал и других компонентов оптического резонатора, что гарантирует исключительно высокую стабильность частоты. Весьма важно также, что газовые лазеры способны без принципиальных затруднений формировать оптические колебания одной определенной частоты (монохроматическое излучение).

Однако из-за малой плотности газов получение высокой концентрации возбужденных частиц затруднительно. Поэтому плотность генерируемой энергии у газовых лазеров существенно ниже, чем у твердотельных лазеров.

2.14. Пояснить состав и особенности газовых Лазерные материалылазерных материалов ссылка на источники литературы.

В газовых лазерах рабочими микрочастицами являются атомы газа (неона Ne, ксенона Хе), положительно заряженные ионы (неона Ne2+, Ne3+, аргона Ar2+, криптона Kr2+), молекулы (азота N2, углекислого газа CO2, воды H2О, синильной кислоты HCN). Достаточно часто к основному рабочему газу примешивают другой газ. Например, в гелий-неоновом лазере активными излучающими частицами являются атомы неона Ne. Примесь гелия He улучшает условия возбуждения атомов неона Ne путем резонансной передачи энергии на верхние уровни квантовой системы.

В газовых лазерных материалах обеспечивается четкое соответствие энергетических уровней газа уровням отдельных атомов или молекул, составляющих этот газ. Весьма высока оптическая однородность газовой активной среды. Однако концентрация рабочих частиц газа составляет всего 1014-1017см-3.

2.15. Пояснить способы и технические средства создания активной среды в газовых лазерах ссылка на источники литературы.

В газовых лазерах создание активной среды с четко выраженной Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсией населенностей обеспечивается разнообразными способами и средствами. При этом, однако, учитывается, что оптическая Накачка лазеранакачка (с применением газоразрядных ламп), эффективная для твердотельных лазеров, в газовых лазерах не используется, поскольку газы поглощают энергию в узких спектральных полосах (линиях), а лампы излучают свет в широких частотных диапазонах; поэтому потребляется лишь небольшая часть мощности оптической накачки и кпд таких ламповых источников оптической накачки в газовых лазерах весьма невелик.

Как правило, инверсия населенностей в газовых лазерах создается путем электрического разряда. Свободные электроны, возникающие в процессе разряда, при столкновениях с микрочастицами (атомами, ионами, молекулами) газа (посредством электронного удара) возбуждают их и переводят на более высокие уровни энергии. Если время жизни возбужденных микрочастиц на верхних энергетических уровнях относительно велико, то в газовой среде создается четко выраженная и устойчивая инверсия населенностей. Метод электронного удара эффективно используется для возбуждения (накачки) газовых лазеров, действующих в непрерывном и (или) импульсном режимах.

Успешно применяется также способ резонансной передачи возбуждения, при котором возбуждение микрочастиц одного вида (сорта) происходит при неупругих соударениях с микрочастицами другого вида. При этом создание активной среды в газе происходит в две стадии: в первую очередь электроны возбуждают микрочастицы вспомогательного газа, которые далее в процессе неупругих соударений с микрочастицами рабочего газа передают им избыточную энергию. Начальное накопление энергии вспомогательных микрочастиц происходит успешно, если время жизни этих микрочастиц на высоких энергетических уровнях относительно велико.

2.16. Пояснить принцип действия и технические особенности ионных Газовый лазергазовых лазеров.

В таких газовых лазерах ссылка на источники литературы Инверсия населенностей энгергетических уровнейинверсия населенностей создается в среде с ионизированными атомами инертных газов и паров металлов. И в этом случае время жизни возбужденных микрочастиц на верхнем энергетическом уровне квантовой системы заметно больше, чем на нижнем уровне. Значительная плотность тока газового разряда (десятки тысяч ампер на 1 см2) обеспечивает высокую концентрацию ионов в активной среде.

В диапазоне видимого света в непрерывном режиме функционирования относительно высокую мощность излучения генерируют аргоновые ионные лазеры. Такие источники формируют излучение с длиной волны λ = 0,5145 мкм (зеленый луч) мощностью, достигающей нескольких десятков ватт.

Ионный газовый лазер, использующий смесь ионов аргона и криптона, перестраивается по длине волны (путем смены зеркал резонатора) во всем диапазоне видимого света. Такой лазер излучает оптическую мощность до 0,1 Вт на волнах длиной 0,4880 мкм (синий луч), 0,5145 мкм (зеленый луч), 0,5682 мкм (желтый луч) и 0,6471 мкм (красный луч).

Лазер на парах кадмия действует в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и в ультрафиолетовой (0,3250 мкм) областях спектра и обладает высокой монохроматичностью.

2.17. Рассмотреть конструкцию и принцип действия Кадмиевый лазеркадмиевого лазера.

Вариант конструкции кадмиевого лазера ссылка на источники литературы представлен на рис. 2.7.Рис. 2.07. Конструкция кадмиевого лазера Отмечены зеркала 1 и 2 оптического резонатора, окна 3 и 4 для вывода лазерного излучения, катод 5 (слева) и анод 6 (справа) газоразрядной трубки 7, испаритель 8 кадмия и конденсатор 9 паров кадмия. Пары кадмия создаются в испарителе 8, расположенном вблизи анода 6. Они сильно разбавлены гелием. Равномерное распределение кадмия в газоразрядной трубке и подбор его концентрации достигаются увлечением паров кадмия ионами гелия от анода к катоду. Плотность паров кадмия определяется температурой подогревателя (испарителя) 8. В охладителе (конденсаторе) около катода 5 кадмий конденсируется. Трубка диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении гелия 4,5 мм рт.ст., температуре подогревателя 250°С, токе разряда 0,12 А и напряжении 4 кВ позволяет получить мощность 1 Вт в синей и 0,004 Вт в ультрафиолетовой областях спектра.

2.18. Пояснить принцип действия и технические особенности Аргоновый лазераргоновых лазеров ссылка на источники литературы.

Аргоновый лазер функционирует на чистом аргоне, не содержащем других газов. Накачка в таком лазере осуществляется электрическим разрядом с большой плотностью тока (до нескольких тысяч ампер на 1 см2). В процессе возбуждения ионы аргона многократно сталкиваются с «энергичными» электронами и переходят на высокие энергетические уровни (рис. 2.8Рис. 2.08. Энергетические уровни и переходы аргонового лазера (длины волн указаны в нанометрах)). Лазерное излучение формируется при квантовых переходах между возбужденными энергетическими уровнями ионов аргона на видимых или близких к видимым длинах волн (между 350 и 520 нм). Наиболее важными являются переходы ионов в синей (488 нм) и зеленой (514, 5 нм) областях спектра.

Аргоновые лазеры относятся к группе мощных лазеров, непрерывно действующих в видимой области спектра, генерируя на выходе десятки ватт оптической мощности. Конструкция аргоновых лазеров снабжена средствами циркуляции и охлаждения газа.

2.19. Рассмотреть конструкцию (рис. 2.9Рис. 2.09. Конструкция гелий-неонового лазера) и технические особенности Гелий-неоновый лазергелий-неонового лазера ссылка на источники литературы.

Оптический резонатор лазера содержит два вогнутых (или плоских) зеркала 1 и 2; в объеме резонатора размещена тонкая трубка 3 (с внутренним диаметром около 1 мм и длиной примерно 10 см). В трубку введены газы гелия и неона при соотношении парциальных давлений Не: Ne = 5 : 1 и общем давлении вакуума 0,4 кПа. Тлеющий разряд в трубке обеспечивается электрическим напряжением 1-3 кВ внешнего источника 4, приложенным между катодом 5 и анодом 6 трубки; ток разряда (около 5 мА) ограничивается резистором 7 (50 кОм). На концах газоразрядной трубки в качестве окон размещены (приклеены или приварены) оптические полированные стекла 8, 9 под определенным (к оси трубки) углом q. При таком угле (угле Брюстера) ,θ = аrctg nст (где nст - коэффициент преломления стекла) отраженный свет строго (полностью) поляризован.

2.20. Пояснить Закон Д. Брюстеразакон Брюстера ссылка на источники литературы.

Согласно ссылка на источники литературы этот закон (установленный Брюстер Д.Д.Брюстером) выражает связь показателя преломления диэлектрика с таким углом падения световых или радиоволн, при котором отраженное от поверхности диэлектрика излучение полностью поляризовано (поляризация света рассматривается далее, в разд. 3). По закону Брюстера свет, падающий на поверхность диэлектрика под углом θ (рис. 2.10Рис. 2.10. Угол Брюстера), для которого выполняется условие tgθ = n (где n - показатель преломления), при отражении полностью поляризуется. Угол θ называется углом Брюстера. При этом угол между отраженным и преломленным лучами составляет 90°.

Физически закон Брюстера констатирует, что электрическое поле падающей световой волны Eпад [его слагающие - в плоскости падения (Ep)пад и перпендикулярно к ней (Es)пад] вызывает в диэлектрике колебания электронов, направление которых совпадает с направлением электрического вектора преломленной волны Eпрел. Эти колебания возбуждают на поверхности раздела отраженную волну Eотр, распространяющуюся в первой среде. Но колеблющийся электрон не излучает. Таким образом, в отраженной световой волне колебания электрического поля (Es)отр происходят только в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения.

2.21. Рассмотреть энергетические переходы и спектральный состав излучения Гелий-неоновый лазергелий-неонового (He-Ne)-лазера ссылка на источники литературы.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения. Схема уровней энергии вспомогательных и рабочих частиц гелий-неонового лазера (рис. 2.11, аРис. 2.11, а. Энергетические уровни и переходы гелий-неонового лазера) характерна для газоразрядных лазеров.

В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня E1 на возбужденный верхний уровень энергии E3, но в чистом неоне время жизни возбужденных микрочастиц E3 мало, атомы быстро переходят с него на уровни E1 и E2, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населенностей для пар уровней E2 и E3 Примесь гелия существенно изменяет ситуацию. Первый возбужденный уровень гелия совпадает с верхним уровнем E3 неона. Поэтому при столкновении возбужденных электронным ударом атомов гелия с невозбужденными атомами неона (с энергией E1) происходит передача возбуждения, в результате которой атомы неона будут возбуждены, а атомы гелия вернутся в основное состояние. При достаточно большом количестве атомов гелия можно добиться преимущественного заселения уровня E3 неона. Этому же способствует опустошение уровня E2 неона, происходящее при соударении атомов со стенками газоразрядной трубки.

Для эффективного опустошения уровня E2 диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает количество неона и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным для получения максимальной мощности генерации является диаметр около 7 мм. Таким образом, в результате специального подбора количеств (парциальных давлений) неона и гелия при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населенностей уровней энергии E2 и E3 неона.

Уровни неона E2 и E3 обладают сложной структурой (рис. 2.11, бРис. 2.11, б. Энергетические уровни и переходы гелий-неонового лазера), так как состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может функционировать на 30 длинах волн в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения. Наибольшее распространение получили гелий-неоновые лазеры с излучением красного цвета (длина волны 0,6328 мкм) и с инфракрасным излучением (на длинах волн 1,15 и 3,39 мкм).

2.22. Рассмотреть существенные физические и технические особенности Молекулярный газовый лазермолекулярных газовых лазеров ссылка на источники литературы с ориентацией на CO2-лазеры.

В молекулярных лазерах энергетические уровни обусловлены колебательными уровнями молекул, т.е. относительным движением составляющих атомов, а атомные электроны остаются на низких энергетических уровнях и не возбуждаются. Характерным и наиболее распространенным представителем группы молекулярных лазеров является лазер на углекислом газе CO2.

В трехатомной молекуле CO2 возможны три основных внутренних типа колебаний (нормальные моды), показанные на рис. 2.12.Рис. 2.12. Внутренние колебания трехатомной молекулы СО2. В первом варианте (рис. 2.12, аРис. 2.12. Внутренние колебания трехатомной молекулы СО2) молекула покоится: два атома кислорода и атом углерода не совершают колебаний. Во втором варианте (рис. 2.12, бРис. 2.12. Внутренние колебания трехатомной молекулы СО2) атомы кислорода колеблются симметричным образом вдоль оси, соединяющей ядра. В третьем варианте (рис. 2.12, вРис. 2.12. Внутренние колебания трехатомной молекулы СО2) все атомы колеблются перпендикулярно оси, соединяющей ядра (изгибающая мода). В четвертом варианте (рис. 2.12, гРис. 2.12. Внутренние колебания трехатомной молекулы СО2) атомы колеблются асимметрично вдоль оси (асимметричная растягивающая мода). Указанные переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению.

В газоразрядных CO2-лазерах Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсия населенностей достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N2, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбужденное состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передает ее молекулам CO2 в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населенностей достигается добавлением в разрядную смесь гелия, который облегчает условия возникновения разряда и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO2.

2.23. Выделить технические достоинства Газовый лазер на углекислом газегазовых лазеров на углекислом газе.

CO2-лазеры обеспечивают высокую мощность излучения в непрерывном режиме. При возбуждении молекул углекислого газа электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м CO2-лазер излучает мощность до 10 кВт. Такие лазеры обладают большим коэффициентом полезного действия, достигающим 15-20% (вплоть до 40%). CO2-лазеры эффективно действуют и в импульсном режиме.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы углекислого газа позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) дискретно в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

2.24. Рассмотреть особенности конструкции мощного лазера на углекислом газе с поперечной прокачкой (рис. 2.13Рис. 2.13. Лазер на углекислом газе с поперечной прокачкой).

Такой лазер представлен в монографии ссылка на источники литературы. Функциональная схема CO2-лазера с поперечной прокачкой приведена на рис. 2.13, аРис. 2.13. Лазер на углекислом газе с поперечной прокачкой, конструкция лазера - на рис. 2.13, бРис. 2.13. Лазер на углекислом газе с поперечной прокачкой. Приняты следующие обозначения: 1 - внешний кожух; 2 - окно для наблюдения за разрядом; 3 - катод; 4 - окно; 5 - теплообменник; 6 - делители газового потока; 7 - кожух теплообменника; 8 - сегментный анод; 9 - балластные резисторы; 10 - вентиляционная секция; 11 - двигатель; 12 - флюгер; 13 - лопастный осевой вентилятор; 14 - поворачивающее зеркало; 15 - 100%-ное зеркало; 16 - область разряда; 17 - стальной кожух; 18 - 50%-ное зеркало резонатора; 19 - вентилятор.

Обычный Газовый лазер на углекислом газеCO2-лазер состоит из водоохлаждаемой герметизированной трубки с расположенными на противоположных концах высоковольтными катодом и анодом, которые служат для поддержания разряда в газе. Однако высокая тепловая отдача такого устройства существенно ограничивает выходную мощность лазера. Интенсивное прокачивание газа через зону разряда позволяет отводить избыточную теплоту. Лазеры, в которых направление прокачки газов, электрический разряд и распространение излучения соосны, называются лазерами с продольной прокачкой. В такой конструкции отвод тепла осуществляется путем диффузии, однако эффективность такого охлаждения невелика.

Прокачивание газа в поперечном по отношению к разряду направлении повышает эффективность охлаждения и позволяет существенно (в 4-8 раз) увеличить выходную мощность лазера. В этом случае теплота отводится за счет конвекции.

Промышленная установка (рис. 2.13, бРис. 2.13. Лазер на углекислом газе с поперечной прокачкой) сварена из листов коррозионно-стойкой стали, не содержит хрупких стеклянных трубок и громоздких плит. Экономнее расходуются высокоочищенные газы.

2.4.
Полупроводниковые лазеры

2.25. Рассмотреть базовую конструкцию Полупроводниковый лазерполупроводникового лазера с излучающей p-n-структурой (рис. 2.14Рис. 2.14. Конструкция полупроводникового лазера).

Такой двухэлектродный прибор с p-n-переходом в полупроводниковом кристалле имеет все компоненты: активную среду, оптический резонатор, цепь внешней накачки, канал вывода оптического излучения, необходимые для лазера любого типа. Активная среда размещена в весьма тонком прямоугольном параллелепипеде, расположенном между р- и n-слоями полупроводниковой структуры; толщина d активной области ~ 1 мкм. Полированные или сколотые торцы кристалла (шириной w), сделанные оптически плоскими и строго параллельными, в такой конструкции действуют как оптический резонатор (аналог резонатора Фабри - Перо). Коэффициент отражения оптического излучения на полированных плоскостях кристалла достигает 20-40%, что обеспечивает необходимую положительную обратную связь без дополнительных технических средств (специальных зеркал или отражателей). Вместе с тем боковые грани кристалла грубо обработаны (имеют шероховатую поверхность), что резко уменьшает отражение оптического излучения от этих граней.

Накачка активной среды (создание Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсии населенностей) в лазерном диоде (рис. 2.14Рис. 2.14. Конструкция полупроводникового лазера) обеспечивается внешним электрическим смещением р- n-перехода в прямом направлении. При этом через р-n-переход протекает значительный ток Iлд и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и дырок излучаются кванты света (фотоны).

Лазерные колебанияЛазерные колебания возбуждаются и генерируются, если усиление фотонов в активной среде превышает потери оптического излучения, связанные с частичным выводом, рассеянием и поглощением фотонов. Коэффициент усиления фотонов в активной среде полупроводникового лазера оказывается значительным только при интенсивной инжекции заряда. Для этого необходимо обеспечить достаточно большой электрический ток Iлд, превышающий определенное (пороговое) значение.

2.26. Указать группы и состав, отметить физические особенности материалов, используемых для полупроводниковых лазеров.

При рекомбинации свободных электронов и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может сообщаться кристаллической решетке (переходить в тепло) или излучаться в виде квантов света (фотонов). Для полупроводниковых лазеров принципиально важным является испускание фотонов (излучательная рекомбинация). В кремниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных актов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупроводники по существу непригодны для лазеров.

По-другому протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа A3B5 (а также A2B6 и A4B6), где в определенных (технически совершенных) условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными; возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны напрямую (не изменяя импульса и направления движения), без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепловых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов оказывается наиболее высокой.

Среди бинарных соединений типа A3B5 в качестве лазерных материалов доминируют кристаллы арсенида галлия GaAs. Расширение физических и технических возможностей полупроводниковых лазеров обеспечивают твердые растворы арсенида галлия, в которых атомы дополнительных элементов (алюминия Al, индия In, фосфора Р, сурьмы Sb) смешаны и жестко фиксированы в общей кристаллической решетке базовой структуры. Распространение получили тройные соединения: арсенид галлия - алюминия Ga1-xAlxAs, арсенид индия - галлия InxGa1-xAs, арсенид - фосфид галлия GaAs1-xPx, арсенид - антимонид галлия GaAsxSb1-x и четверные соединения: GaxIn1-xAsyP1-y, AlxGa1-xAsySb1-y. Содержание (х или у) конкретного элемента в твердом растворе задано в пределах 0 < х < 1, 0 < у < 1.

Эффективно излучающими прямозонными полупроводниками являются двойные соединения A3B5 (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), группа (PbS, PbSe, PbTe) и твердые растворы (Zn1-xCdxS, CdS1-xSex, PbS1-xSex, PbxSh1-xTe).

2.27. Пояснить связь компонентов лазерного материала и длины волны оптического излучения полупроводникового лазера.

Длина волны лазерного излучения достаточно жестко связана с шириной запрещенной зоны, которая, в свою очередь, четко определяется физическими свойствами конкретного полупроводникового соединения. Варьируя состав лазерного материала, можно изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, длину волны лазерного излучения.

Например, согласно , ссылка на источники литературы Полупроводниковый лазерполупроводниковый лазер, изготовленный из арсенида индия - галлия InxGa1-xAs, в зависимости от доли х индия In, может иметь рабочую длину волны в диапазоне 0,84-3,1 мкм, причем при изменении х длина волны лазерного излучения изменяется непрерывно (плавно). Естественно, что каждому конкретному составу полупроводникового материала (твердого раствора с фиксированным х) соответствует строго определенная частота лазерного излучения.

Данные ссылка на источники литературы о связи спектральных характеристик (длины волны) лазерного излучения с составом лазерного полупроводникового материала представлены в табл. 2.3.

В крайней правой колонке табл. 2.3 указаны способы накачки полупроводникового лазера: инжекционный (И) и (или) электронный (Э).

Материал Длина волны, мкм Тип накачки Материал Длина волны, мкм Тип накачки
ZnS 0,33 Э InAs 3,1–3,2 И, Э
ZnO 0,37 Э InSb 5,1–5,3 И, Э
ZnSe 0,46 Э GaSe 0,59 Э
CdS 0,49–0,53 Э GaAs1–xPx 0,62–0,9 И, Э
ZnTe 0,53 Э AlxGa1–xAs 0,62–0,9 И
CaSe 0,59 Э InxGa1–xP 0,60–0,91 И
CdSe 0,68–0,69 Э InxGa1–xAs 0,84–3,1 И
CdTe 0,79 Э InP1–xAsx 0,90–3,1 И
Zn1–xCdxS

CdS1–xSex

0,32–0,49

0,49–0,68

Э PbS 3,9–4,3 И, Э
PbTe 6,4–6,5 И, Э
GaAs 0,84–0,95 И, Э PbSe 8,4–8,5 И, Э
InP 0,90–0,91 И PbS1–xSex 3,9–8,5 И
GaSb 1,55 И, Э PbxSn1–xTe 6,4–31,8 И, Э

Согласно табл. 2.3 многообразие лазерных полупроводниковых материалов позволяет перекрыть (обеспечить) весьма широкий спектральный диапазон (от 0,32 до 32 мкм).

2.28. Пояснить принципы формирования и физические особенности полупроводниковых гетероструктур.

Для Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазеров (лазерных диодов) базовой является структура с р-n-переходом. Такой переход возникает в гомогенном (однородном) полупроводнике, легированном различными (р- и n-) примесями. Р-n-переход формируется, например, в кристалле арсенида галлия (рис. 2.15, аРис. 2.15. Гомо- и гетероструктуры полупроводниковых лазеров) на границе р-области эмиттера и n-области базы. Потенциальный барьер в такой гомогенной структуре всецело связан с концентрацией вносимых примесей (степенью легирования эмиттера и базы). Оптические свойства р- и n-областей, выполненных из однородного материала, одинаковы.

Новые физические и технические возможности реализуются в полупроводниковых гетероструктурах, которые формируются из различных по химическому составу полупроводников. На границе таких полупроводников возникает потенциальный барьер, что приводит к односторонней инжекции носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом легирование примесями р- и n-типа не является обязательным, а рассматривается как дополнительная возможность изменять свойства гетероструктуры.

Гетероструктуры успешно формируются в полупроводниковых соединениях типа A3B5 и в их твердых растворах на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов галлия и алюминия. Пример гетероструктуры, состоящей из арсенида галлия n-типа и твердого раствора арсенида алюминия - галлия р-типа, показан на рис. 2.15, бРис. 2.15. Гомо- и гетероструктуры полупроводниковых лазеров. Важно, что оптические свойства эмиттера и базы такой гетероструктуры различаются, причем спектральные характеристики эмиттера (р-области) можно изменять в широких пределах (варьируя долю х алюминия) независимо от оптических свойств базы (n-области).

Распространение получили двойные полупроводниковые гетеростуктуры, содержащие несколько гетеропереходов. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 2.15, вРис. 2.15. Гомо- и гетероструктуры полупроводниковых лазеров, где в зависимости от базовых (различных по составу) материалов и характера их легирования удается создать анизотипные (р-n) и изотипные (р-р и n-n) гетеропереходы.

2.29. Пояснить механизм создания Инверсия населенностей энергетических уровнейинверсии населенностей в полупроводниковых лазерах.

В Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазерных структурах путем интенсивного легирования исходного материала обеспечивается весьма высокая концентрация примесей. Такие полупроводники оказываются вырожденными. Энергетическая диаграмма вырожденной полупроводниковой структуры с р-n-переходом при отсутствии внешнего электрического напряжения представлена на рис. 2.16, аРис. 2.16. Энергетические диаграммы вырожденной полупроводниковой структуры.

Энергетический уровень Ферми Ef в вырожденной структуре находится в зоне проводимости электронного материала n-типа; таким образом, на «дне» зоны проводимости сконцентрирована высокая плотность энергетических уровней, заполненных электронами. Вместе с тем уровень Ферми Ef проходит через валентную зону дырочного материала р-типа и в верхней части (на «потолке») валентной зоны оказывается высокой концентрация свободных энергетических уровней.

Если внешнее электрическое напряжение сдвигает p-n-переход в прямом направлении, то заполненные энергетические уровни на «дне» зоны проводимости n-области оказываются заметно выше (по энергетической шкале), чем свободные энергетические уровни на «потолке» валентной зоны р-области (рис. 2.16, бРис. 2.16. Энергетические диаграммы вырожденной полупроводниковой структуры), что и обеспечивает в определенном временном интервале необходимую инверсию населенностей. Далее в процессе излучательной рекомбинации возбужденные электроны из n-области переходят на нижние энергетические уровни р-области, генерируя фотоны.

2.30. Пояснить механизм формирования активной области в лазере, построенном на основе гомогенного полупроводника с р-n-переходом.

Базовой является структура (рис. 2.15, аРис. 2.15. Гомо- и гетероструктуры полупроводниковых лазеров), содержащая слои арсенида галлия р- и n-типа с технологически совершенным контактом. В такой структуре, смещенной в прямом (проводящем) направлении, происходит инжекция неосновных носителей заряда: дырок - в n-область, а электронов - в р-область. По мере продвижения носителей заряда в глубь структуры их концентрация постепенно (почти по экспоненте) уменьшается. Распределение неосновных носителей заряда (электронов и дырок) в р-n-структуре полупроводникового лазера показано на рис. 2.17Рис. 2.17. Формирование активной области в полупроводниковом лазере с гомоструктурой. Внимание к свободным электронам и дыркам естественно, поскольку именно эти возбужденные носители заряда создают активную область полупроводникового лазера.

Таким образом, Активная средаактивная область лазера формируется в узкой области р-n-перехода. Эта область содержит электроны и дырки и, по существу, является дважды вырожденной. Формирование границ активной области толщиной d поясняется рис. 2.17Рис. 2.17. Формирование активной области в полупроводниковом лазере с гомоструктурой. Основной размер dn определяется длиной диффузии дырок, инжектируемых в вырожденную n-область (т.е. средним расстоянием, которое свободная дырка проходит в n-области до рекомбинации). Меньшая часть dp толщины d определяется длиной диффузии электронов в вырожденной р-области. В рассматриваемой р-n-структуре dp<<dn.

Согласно ссылка на источники литературы расстояние

где D - коэффициент диффузии дырок, а τp - время рекомбинации (или время жизни) дырок. Для арсенида галлия D = 10 см2/с, а τp ~ 1 нс; поэтому толщина активной зоны арсенидогаллиевого лазера d ≈dp ~ 1 мкм.

Очевидно, что Активная средаактивная область в гомогенном полупроводнике с р-n-переходом имеет неопределенные и нестабильные границы. Конструкция инжектированных электронов и дырок спадает плавно; поэтому границы активной области (по существенному спаду концентрации инжектированного заряда) оказываются нечеткими. К тому же с увеличением уровня инжекции (тока накачки) границы активной области полупроводникового лазера с р-n-переходом расширяются.

2.31. Рассмотреть вариант конструкции и технологические особенности лазера, созданного на основе гомогенного полупроводника с р-n-переходом.

Типичная конструкция такого Полупроводниковый лазерлазера ссылка на источники литературы представлена на рис. 2.18Рис. 2.18. Конструкция полупроводникового лазера с гомоструктурой. Важные элементы конструкции (полированные или сколотые торцы 1, электрические контакты 2 для тока, возбуждающего лазер) уже рассматривались (см. рис. 2.14Рис. 2.14. Конструкция полупроводникового лазера). В данном устройстве лазер выполнен на кристалле арсенида галлия с длиной волны излучения, близкой к 0,84 мкм. Вырождение слоя 3 полупроводника n-типа достигается введением концентрации ~1018-1 донорной примеси теллура Те. Вырожденный слой 4 р-типа создается диффузией примеси цинка Zn с поверхностной концентрацией ~1020см-3. Лазерное излучение 5 возникает и формируется в узкой активной области 6 между слоями 3 и 4.

2.32. Пояснить механизм и технические варианты «электронного» ограничения активной области полупроводникового лазера.

Такое ограничение обеспечивается в полупроводниковых лазерах с односторонней и двусторонней (двойной) гетероструктурой (ОГС и ДГС). Гетероструктура на стыке с гомогенным полупроводником создает потенциальный барьер, жестко ограничивающий отток носителей и четко определяющий границу активной области лазера.

Характерный вариант односторонней гетероструктуры (ОГС) представлен на рис. 2.19, аРис. 2.19. Формирование активной области (б) в полупроводниковом лазере с односторонней гетероструктурой (а). Активная область полупроводникового лазера ограничивается (формируется) с одной стороны (справа) гомогенным полупроводником (арсенидом галлия) с р-n-переходом, а с другой стороны (слева) - гетероструктурой (состоящей из арсенида галлия и арсенида алюминия р-типа). На стыке гомо- и гетероструктур граница активной области полупроводникового лазера определяется жестко и четко. Однако подобная граница в структуре гомогенного полупроводника (в зоне р-n-перехода) остается (рис. 2.19, бРис. 2.19. Формирование активной области (б) в полупроводниковом лазере с односторонней гетероструктурой (а)) менее определенной (нечеткой).

Создание второй гетероструктуры на стыке с гомогенным полупроводником обеспечивает двустороннее ограничение активной области полупроводникового лазера. В конкретном варианте (рис. 2.20, аРис. 2.20. Формирование активной области (б) в полупроводниковом лазере с двойной гетероструктурой (а)) базовый стержень из арсенида галлия р-типа ограничивается двумя слоями из арсенида алюминия - галлия n- и р-типа и соответственно двумя гетеропереходами. В такой двойной гетероструктуре (ДГС) исключается существенное растекание инжектированного заряда (рис. 2.20, бРис. 2.20. Формирование активной области (б) в полупроводниковом лазере с двойной гетероструктурой (а)) и жестко определяются (формируются) границы активной области полупроводникового лазера.

2.33. Рассмотреть конструкцию и технологические особенности полупроводникового лазера с двойной гетероструктурой (ДГС).

В такой структуре активной областью Полупроводниковый лазерлазера является тонкий (0,1-0,4 мкм) слой арсенида галлия GaAs. Этот слой размещается между слоями Ga1-xAlxAs р-типа и Ga1-yAlyAs n-типа. Технологически такие слои можно вырастить эпитаксиально (без существенных физических нарушений).

Введение слоев Ga1-xAlxAs и Ga1-yAlyAs повышает (с увеличением х и у) уровень (потенциальный барьер) энергии на стыках с активной областью полупроводникового лазера, что, в свою очередь, приводит к локализации инжектированных электронов и дырок, затрудняющей их диффузию в смежные области лазера.

Указанные технологические особенности полупроводникового лазера с ДГС-конфигурацией реализованы в конкретных (в основном однотипных) конструкциях ссылка на источники литературы, показанных на рис. 2.21, аРис. 2.21. Варианты конструкции полупроводникового лазера ДГС-типа, бРис. 2.21. Варианты конструкции полупроводникового лазера ДГС-типа.

Подложка конструкции, выполненная из арсенида галлия n-типа, «заземлена». На поверхности арсенида галлия р-типа создан металлический электрод, на который через токоограничивающий резистор подается внешнее электрическое напряжение, обеспечивающее инжекцию неосновных носителей заряда. Длина оптического резонатора полупроводникового лазера составляет 300 мкм.

2.34. Для гомо- и гетероструктур Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазеров рассмотреть:

  • показатели преломления на границах смежных структур;

  • эффект волноводного ограничения лазерных лучей.

Детально эти вопросы освещены в монографиях ссылка на источники литературы. В гомопереходе (рис. 2.22Рис. 2.22. Волноводное ограничение лазерных лучей в гомо- и гетероструктурах) коэффициенты преломления в областях, примыкающих к активной области лазера, оказываются меньше, чем коэффициент преломления активной области. В такой структуре можно обеспечить волноводный эффект: полное внутреннее отражение распространяющегося лазерного излучения. Следует, однако, учитывать, что различие коэффициентов преломления активной области (центральной зоны оптического волновода) и соседних (граничных) слоев в гомопереходах невелико (0,1-1%).

Введение слоя AlxGa1-xAs позволяет создать одностороннюю гетероструктуру (ОГС) и резко (до 100%) увеличить перепад коэффициента преломления на стыке активной области лазера и гетероперехода (рис. 2.22, бРис. 2.22. Волноводное ограничение лазерных лучей в гомо- и гетероструктурах). При этом эффективность волноводного ограничения лазерных лучей в активной области существенно возрастает.

Дальнейшее (уже двустороннее) ограничение Лазерное излучениелазерного излучения в активной области достигается введением второго гетероперехода (рис. 2.22, вРис. 2.22. Волноводное ограничение лазерных лучей в гомо- и гетероструктурах). Однако при этом в узком оптическом волноводе резко возрастает плотность лазерного излучения, что может привести к быстрому разрушению полупроводникового лазера.

Указанный недостаток устраняется в полупроводниковом лазере с расширенным оптическим волноводом (рис. 2.22, гРис. 2.22. Волноводное ограничение лазерных лучей в гомо- и гетероструктурах). В такой многослойной структуре активная область лазера шириной d сохраняется достаточно узкой (0,2-1 мкм), а область оптического ограничения лазерных лучей шириной w достигает нескольких микрометров и плотность мод оптического (лазерного) излучения резко снижается.

2.35. Рассмотреть и сравнить характеристики типовых лазерных структур (гомоструктуры, ОГС, ДГС).

Такие структуры ссылка на источники литературы представлены на рис. 2.23 (вверху рисунков)Рис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров. Показаны гомоструктура (рис. 2.23, аРис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров), гетероструктура с одним переходом (рис. 2.23, бРис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров) и двойная гетероструктура (рис. 2.23, вРис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров). Ниже выделены энергетические барьеры и показатели преломления на стыках полупроводниковых структур, позволяющие составить обоснованное представление об «электронном» и «оптическом» (волноводном) ограничениях лазерного излучения.

Согласно рис. 2.23, аРис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров в гомоструктуре лазерные лучи почти не ограничиваются в активной области и заметно «растекаются» за ее пределы. В односторонней гетеростуктуре (рис. 2.23, бРис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров) четкое ограничение лазерного излучения в активной области достигается на стыке с гетеропереходом (с одной стороны). В двойной гетероструктуре (рис. 2.23, вРис. 2.23. Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров) лазерные лучи жестко концентрируются в весьма узкой активной области прибора.

2.36. Представить и пояснить условия, определяющие порог возбуждения и зависимость мощности оптического излучения Полупроводниковый лазерполупроводникового лазера от уровня инжекционного тока.

Полупроводниковый лазер начинает активно действовать (возбуждаться и генерировать когерентное оптическое излучение), если путем инжекции неосновных (свободных, возбужденных) носителей заряда обеспечивается инверсия населенностей, компенсирующая и превышающая потери оптического излучения в активной области лазера. Такие потери вызваны частичным выходом лазерного излучения за пределы активной области, существенным (30-40%) пропусканием света через торцы резонатора, заметным поглощением фотонов в активной области лазера.

Зависимость выходной (оптической) мощности полупроводникового лазера от уровня инжекционного тока представлена на рис. 2.24Рис. 2.24. Зависимость выходной мощности лазерного диода от уровня тока возбуждения (инжекции). На начальном участке характеристики, соответствующем спонтанному (некогерентному) излучению, интенсивность излучения, пропорциональная току возбуждения лазера, относительно медленно возрастает. Но как только порог возбуждения полупроводникового лазера достигает критического значения, и лазерная генерация возникает, выходная мощность лазера резко возрастает. При этом зависимость мощности лазерного излучения от инжекционного тока становится весьма крутой, но относительно пропорциональной (линейной).

2.37. Определить пороговые значения плотности тока для арсенидогаллиевого лазера, действующего при температуре 300 К (27°С).

Пороговой плотностью тока называется отношение инжекционного тока Iлд к площади wLz поверхности активного слоя. Здесь, как и ранее, Lz - длина оптического резонатора полупроводникового лазера, а w - ширина активного слоя.

Пороговые значения плотности тока (А/см2) для арсенидогаллиевого лазера, действующего при комнатной температуре, представлены в табл. 2.4 ссылка на источники литературы.

Гомопереход 40000
Односторонний гетеропереход 10000
Двойной гетеропереход 1300
Двойной гетеропереход с расширенным оптическим волноводом 600

Возможности существенного изменения пороговых характеристик полупроводниковых лазеров уже рассматривались в 2.34..

2.38. Представить данные о коэффициенте полезного действия (кпд) и выходной мощности Полупроводниковый лазерполупроводникового лазера.

Кпд инжекционных полупроводниковых лазеров определяется как отношение мощности выходного оптического излучения к мощности электрического возбуждения (инжекционной накачки). В таких лазерах весьма эффективен перевод энергии электрического тока в энергию возбужденных электронов. Поэтому кпд инжекционных полупроводниковых лазеров достигает значительной величины (10-20% и более), что существенно выше, чем у твердотельных и газовых лазеров.

Выходная мощность полупроводниковых лазеров в непрерывном режиме составляет 10-100 мВт, а в импульсном режиме достигает 10-100 Вт.

2.39. Представить данные об углах рассеяния и дистанционном распределении мощности оптического излучения, генерируемого полупроводниковым лазером.

Распределение мощности светового потока оценивается в ближней и дальней зонах видимости ссылка на источники литературы. Ближняя зона дает представление о распределении мощности лазерного излучения на торцевой поверхности резонатора. Дальняя зона позволяет определить характер направленности светового потока и распределения интенсивности излучения (рис. 2.25Рис. 2.25. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера) в свободном пространстве (вне лазера).

В полупроводниковом лазере световой поток, излучаемый весьма узким и тонким резонатором, из-за дифракции существенно расширяется. На картине дальней зоны (рис. 2.25, аРис. 2.25. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера) выделяют углы излучения θ в горизонтальной плоскости резонатора и θ в вертикальной плоскости (перпендикулярно резонатору), причем углы θ и θ измеряются на уровне половины максимальной интенсивности лазерного излучения. Из-за дифракции световой поток, излучаемый прямоугольным резонатором, расширяется неодинаково: чем уже торец резонатора, тем больше угол излучения θ. В полупроводниковом лазере толщина d резонатора заметно меньше его ширины w; поэтому угол излучения θ в горизонтальной плоскости (рис. 2.25, бРис. 2.25. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера) меньше угла θ в вертикальной плоскости (рис. 2.25, вРис. 2.25. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера), а луч полупроводникового лазера имеет эллиптическое сечение (рис. 2.25, аРис. 2.25. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера). Обычно θ≈ 10-15°, a θ15° 20-40°, что явно больше, чем у твердотельных и особенно газовых лазеров.

2.40. Сопоставить спектральные характеристики светодиодов и Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазеров (лазерных диодов).

Эти характеристики арсенидогаллиевых приборов, представленные на рис. 2.26Рис. 2.26. Спектральные характеристики светоизлучающего (а) и лазерных (б, в) диодов, существенно различаются ссылка на источники литературы. Светодиод, генерирующий некогерентное оптическое излучение, имеет четко выраженную (с характерным пиком), но относительно широкую спектральную характеристику (рис. 2.26, аРис. 2.26. Спектральные характеристики светоизлучающего (а) и лазерных (б, в) диодов) в окрестности длины волны λ0 (мкм) = 1, 24/DE (эВ), определяемой шириной запрещенной зоны ΔE.

Ширина спектральной линии (на уровне 0,5 излучаемой мощности) составляет Δλ= 30-50 нм.

В спектре Когерентность оптического излучениякогерентного оптического излучения многомодового полупроводникового лазера присутствует несколько более узких спектральных полос (рис. 2.26, бРис. 2.26. Спектральные характеристики светоизлучающего (а) и лазерных (б, в) диодов), а ширина спектральной линии, огибающей эти полосы, Δλ= 1-3 нм. Оптическое излучение одномодового полупроводникового лазера формируется в весьма узкой спектральной области (рис. 2.26, вРис. 2.26. Спектральные характеристики светоизлучающего (а) и лазерных (б, в) диодов) шириной Δλ = 0,1-0,4 нм.

2.41. Рассмотреть условия и механизмы постепенной (временной) деградации и катастрофических отказов (разрушений) полупроводниковых лазеров ссылка на источники литературы.

При длительной деградации генерируемая мощность Лазерное излучениелазерного излучения постепенно (относительно медленно) уменьшается. Катастрофический отказ (разрушение) полупроводникового лазера может произойти весьма быстро (например, в течение одного импульса возбуждения).

Факторы, вызывающие постепенную деградацию и катастрофические отказы Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазеров, многочисленны, но взаимосвязаны, так как существенно зависят от плотности возбуждающего тока, выходной оптической мощности и конструкции лазера. В процессе активного действия полупроводникового лазера (со значительным током возбуждения и интенсивной энергетической отдачей) заметно повреждаются (с образованием ямок, трещин, канавок) зеркала (полированные поверхности) оптического резонатора, возникают механические напряжения, локальные проплавления, пережоги контактов, увеличивается концентрация центров безызлучательной рекомбинации.

Если энергетический (токовый) режим действия полупроводникового лазера не выходит за предельно допустимые рамки, то интенсивность лазерного излучения спадает постепенно (в течение сотен и даже тысяч часов). При существенном нарушении энергетических ограничений происходит катастрофический отказ (разрушение) полупроводникового лазера.

2.42. Представить технические способы повышения Добротность колебательной системы добротности полупроводниковых лазеров ссылка на источники литературы.

Добротность полупроводникового лазера из-за небольших размеров оптического резонатора относительно невелика и существенно (на три-четыре порядка и более) уступает добротности газового (например, гелий-неонового) лазера. Поэтому, в частности, ширина спектральной линии полупроводникового лазера составляет несколько мегагерц. Применяют различные способы повышения добротности полупроводниковых лазеров.

В техническом варианте, представленном на рис. 2.27, а,Рис. 2.27. Повышение добротности полупроводниковых лазеров, вводится зеркало, расположенное в нескольких сантиметрах от одной из торцевых поверхностей лазера. На этот торец напыляется поглощающая пленка, которая уменьшает коэффициент отражения луча (обратного света), поступающего от введенного (внешнего) зеркала. Тем самым создается конструкция с увеличенной длиной оптического резонатора. Данное техническое решение позволяет увеличить добротность полупроводникового лазера и сузить частотный спектр его излучения до 10 кГц.

В техническом варианте (рис. 2.27, бРис. 2.27. Повышение добротности полупроводниковых лазеров) к торцу полупроводникового лазера присоединяется одним концом волоконный световод (оптическое волокно), а отражающим зеркалом служит полированный торец другого конца световода. Ширина частотного спектра полупроводникового лазера в этом случае уменьшается до 30 кГц.

Получение столь узкого частотного спектра (10-30 кГц) достигается, если фаза световой волны, отраженной от зеркала или конца волоконного световода, совпадает с фазой излучаемой световой волны. Поэтому положение зеркала и длину оптического волокна следует регулировать с весьма высокой точностью (в пределах длины световой волны).

© Центр дистанционного образования МГУП