Полупроводниковые лазеры (ППЛ)
Лазер – это оптический квантовый генератор. Термин «лазер» LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)является аббревиатурой английской фразы: «Усиление света стимулированным излучением».
Работа лазеров основана на открытом Эйнштейном виде излучения, называемом вынужденным, индуцированным или стимулированным.Этот вид излучения заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, то есть переход электрона на основную менее удаленную от ядра орбиту. А избыток энергии излучается в виде нового фотона (близнеца) с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона, вызвавшего этот процесс.
При прохождении света через вещество одновременно может происходить три процесса:
1) Процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное.
2) Процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние;
3) Вынужденное излучение фотонов возбужденными атомами;
Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном ещё в 1916 г.
Для того, чтобы мощность светового излучения увеличивалась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбуждённом состоянии. То есть число электронов в зоне проводимости N2 должно быть больше, чем число электронов в валентной зоне N1. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с нормальной населённостью энергетических уровней. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8
В веществе с инверсной населённостью уровней на пути фотонов чаше встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии, поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение.
В результате при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней поток света усиливается, а не ослабляется.
Экспериментальное явление усиления света при его прохождении через среду с инверсной населённостью уровней было открыто в 1951 году советскими учёными В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой. Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. Для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
Принцип действия полупроводникового лазера
Простейшим лазером является лазер с резонатором Фабри-Перо, представленный на рисунке 3.9. ППЛ имеет такой же излучающий PN переход, как и СИД, но структура его отличается тем, что кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор (так называемый резонатор Фабри-Перо).
Рисунок 3.9 – Лазер с резонатором Фабри-Перо
Одно из зеркал резонатора отражает свет с коэффициентом отражения близким к 100% , а другое зеркало является полупрозрачным (коэффициент отражения К=0,3), обеспечивая тем самым выход излучения наружу.
Рисунок 3.10 – Резонатор Фабри-Перо
На ППЛ подается прямое напряжение, под действием которого в активном слое происходит рекомбинация электронов с дырками, при этом электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, и возникает лазерное излучение.
Кристалл ППЛ имеет приблизительно следующие размеры: L=100-500 мкм; W=10 мкм; d=1 мкм (рисунок 3.9).
Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 2549;