Принцип действия полупроводникового квантового генератора.

Оптический квантовый генератор или лазер – устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Слово лазер – аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света вынужденным излучением.

Любой оптический квантовый генератор содержит три системы:

- активная среда – представляет собой вещество способное усиливать оптическое излучение;

- оптический резонатор – в простейшем случае два плоских зеркала, установленных параллельно друг другу и перпендикулярно оси резонатора;

- система накачки – обеспечивает в активной среде возможность усиления света.

Назначение этих систем будет ясно из ниже изложенного материала.

Итак, пусть имеется активная среда, полупроводник, в котором выполняется условие усиления света:

Е_Fⁿ - E_F^p>Eg

.

В нем происходит излучательная спонтанная рекомбинация, в результате которой появляется множество фотонов, распространяющихся во все возможных направлениях. Каждый фотон может вызвать индуцированную рекомбинацию, в результате которой в полупроводнике появятся два фотона с одинаковыми направлениями распространения, частотой, фазой и поляризацией. Они в свою очередь могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что приведет к появлению уже четырех одинаковых фотонов, и так далее. Таким образом в полупроводнике возникает множество усиливающихся световых волн, распространяющихся во всевозможных направлениях и частоты которых находятся в интервале частот Δν (рис…..). Полупроводник начинает излучать свет. На этом явлении основано действие светоизлучающих диодов (СИД).

Среди всех усиливающихся световых волн, возникающих в полупроводнике, существует одна особенная волна, волна распространяющаяся параллельно оси резонатора. Эта волна I₁ покидает полупроводник и попадает на зеркало 1. Зеркало 1 отражает ее обратно в полупроводник, распространяясь в полупроводнике, эта волна I₂ за счет индуцированной рекомбинации усиливается. Пройдя через полупроводник, она попадает на зеркало 2, которое снова отражает ее в полупроводник, где она опять усиливается и попадает на зеркало 1, которое опять возвращает эту волну в полупроводник и так далее. То есть только эта волна постоянно получает усиление в полупроводнике. Все же остальные световые волны, распространяющиеся под углом к оси системы, или сразу покидают полупроводник, или покидают его после нескольких проходов через него, поскольку падают на зеркала оптического резонатора под углом, отличным от 90⁰. Эти волны создают, как говорят, спонтанное излучение.

Если зеркало 1 сделать полупрозрачным, то световая волна I₁ частично будет выходить из оптического резонатора в виде остронаправленного светового луча. Возникает процесс генерации излучения оптического квантового генератора.

Поскольку все фотоны, образующие световой луч, имеют одно направление распространения и одну частоту благодаря свойствам индуцированной рекомбинации, то излучение оптического квантового генератора (лазера) имеет высокую направленность и монохроматичность.