инверсия на населението

Начало | За нас | обратна връзка

Населението инверсия - концентрацията на атоми със същото енергия ко-подреждане; в термодинамично равновесие подчинява статистиката Boltzmann:

При което - концентрацията на атома в електрон състояние на която съответства на енергийните нива и с енергия.

Когато концентрацията на възбудени атоми е по-голяма от възбуден, количеството # 916; п = отрицателен следователно нормалната популация. Когато концентрацията на възбудени атоми е по-голяма от спокоен глас (при условие, че влиянието на енергията на помпата) стойност # 916; п става положителен, тогава има инверсия на населението и минаваща радиация може да се повиши поради възбудените атоми.

Технически състояние # 916; п> 0 е удовлетворен, когато абсолютната отрицателен температурата T <0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

В полупроводникови лазери популации инверсия между енергийните нива на проводимост и валентност лента носител инжекция се постига с положително отклонение р-п-възел.

Лазерно усилване - усилване на оптични лъчения, се основава на използването на радиация предизвикване - при излагане на радиация квантов атом във възбудено състояние, електронен преход настъпва от състояние с енергия от състояние на енергия. последвано от гр фотонна енергия емисии, равна на енергията на фотони призова ч # 957; = -.

В среда с достатъчна концентрация на възбудени атома чрез преминаване на излъчване през него, може да се получи амплификация режим, ако броят на фотони образува значително по-големи загуби на абсорбция и разсейване.

лазер инжектиране е показана на Фигура 1.3

Фиг. 1.3.Shema полупроводникови инжектиране лазерно устройство (лазерен диод)

Фигура 1. 4 показва позицията на нивото на Ферми в външните и вътрешните полупроводници. Един от най-важните свойства на нивото на Ферми се крие във факта, че в една система, състояща се от полупроводников п и р-тип и ако те не са се прилага напрежение, нивата Ферми те са подравнени (фиг. 1 и 4). Ако те са в различни потенциали, нивата Ферми са изместени от потенциална разлика стойност (фиг. 1 б 4).

Фиг.1. 4. енергия схема на полупроводников лазер инжекция: р-п възел без прилага външно напрежение (а); р-п възел при прилагане на външно напрежение в посока напред (б). г - ширината на прехода на р-п л - действителната ширина на региона, осигуряване на лазер.

В този случай, преход зона р-п създаден от населението на обратен и електроните направи преход от проводимост групата на валентната зона (рекомбинират с дупки). В този случай, фотони се излъчват. Съгласно този принцип работи LED. Когато тези фотони за създаване на обратен положителна връзка под формата на оптичен резонатор, областта на р-п преход при големи стойности на външната приложеното напрежение може да се получи активния елемент. Процесът на формиране и рекомбинация на nonequilibrium носители възниква случайно и има нисък капацитет на емисиите и е непоследователен и nonmonochromatic. Това съответства на режим на LED на полупроводникови осцилатор. Когато токът се увеличава над праговата стойност става съгласувано радиация, неговата спектрална ширина е по-тясна, и интензитет увеличава драстично - започва лазерния действието на полупроводникови осцилатор. Това също увеличава степента на линейна поляризация на генерираното лъчение.

Фигура 1. 5 схематично илюстрира структура на полупроводников лазер и изход радиация разпределение на интензитета. Обикновено в такъв лазерен резонатор създаден от полиране на две диаметрално противоположни страни на кристала, перпендикулярна на равнината на р-п възел. Тези самолети са паралелни и полирани с висока степен на точност. повърхност изход може да се разглежда като прорез, през който преминава радиация. Ъгловата отклонението на лазерно излъчване се определя от дифракция на лъчението в този прорез. Когато дебелината на р-п преход в ширина от 20 мм - 120 mm, ъгловата разликата съответства на приблизително 60 в равнина XZ на, и 10 - в равнината YZ.

Фиг.1. 5. Схема за лазерно р-п възел. Една област р-п възел (активен слой); 2 разрез на лазерния лъч в равнината XY.

Фиг. 1.6. Полупроводникът двойно heterostructure. 1-проводящ метализиран слой за осъществяване на електрически контакт; 2-слой GaAs (п); 3-слой Al0.3Ga0.7As (N); 4-слой, съответстваща на областта на инжектиране на носители (р-п-преход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (р); 6-слой GaAs (р); 7-непроводящ метален оксид слой за ограничаване на тока през р-п-възел, образуване на активния елемент региона; 8,9-съседните слоеве за да електрически контакт; 10-субстрат на радиатора.

Фиг. 1.7 .Energeticheskaya схема двойно heterostructure, Y ос и броя на слоевете съответства на фиг. 1. 6. # 916; Egc лента празнина; # 916; EGV лента празнина р-п-възел.

Фиг. 1. 8. лазер полупроводникови heterostructure: L - дължината на резонатора

Опазване на околната активно вещество, което създава инверсия на населението. В различни видове лазери може да бъде твърдо вещество (кристал на рубин или YAG, стъкло легиран с неодим под формата на пръчки с различна големина и форма), течни (разтвори анилинови бои или разтвори на соли на неодим в кюветите) и газ (смес от хелий и неон, аргон, въглероден двуокис, водна пара, при ниско налягане в стъклени тръби). Полупроводникови материали и студена плазма, продуктите на химическата реакция също осигуряват лазер. Лазери са наречени в зависимост от активното средство.

Докато полупроводникови лазери и са твърди, те решиха да разпределят специална група. В тези лазери последователен радиация, получена в резултат на преминаването на електрони от долния ръб на лентата проводимост на горния ръб на валентната зона.

Има два вида на полупроводникови лазери.

Първата плоча има нелегиран полупроводници, където полупроводника се използва като GaAs галиев арсенид, кадмиев сулфид селенидните CdS или CdSe кадмий

Вторият тип на полупроводников лазер - т.нар инжектиране лазер - се състои от легирани полупроводници, в който концентрацията на донорни и акцепторни примеси е 1018-1019. За диодни лазери използват главно GaAs галиев арсенид.

Състоянието на инверсия на населението в полупроводници в честотата V се изчислява по формулата:

Това означава, че излъчването в полупроводниковата единичния кристал амплифицира, разстоянието между нивата Ферми на електрони и дупки трябва да бъде по-голяма от фотонна енергия HV светлина. Колкото по-ниска честота, по-ниска е степента на шофиране на населението инверсия се постига.

Изпомпване произвежда инверсия на населението в активна среда, при който средата е избран за всеки най-удобен и ефективен начин на изпомпване. Твърдите и течни лазери, използвайки флаш лампи или лазери възбуждат средата газ от електрически разряд, полупроводници - електрически ток.

полупроводникови лазери помпени използва електронен лъч (за полупроводникови лазери на нелегиран полупроводника) и фуражи напред напрежение (за полупроводникови лазери инжектиране).

Изпомпване с електронен лъч може да бъде напречна (фиг. 3.1) или надлъжно (фиг. 3 0.2). Напречно изпомпва две противоположни страни на чип полупроводникови полирани и играе ролята на огледалата оптичните кухина. В случая на външни огледала прилага надлъжната изпомпване. Когато надлъжната изпомпване значително подобрено охлаждане на полупроводника. Пример за такъв лазер - лазерно кадмий сулфид генериращ лъчение с дължина на вълната от 0.49 микрона и със ефективност от около 25%.

Фиг. 3.1 - Напречно изпомпване на електронния лъч

Фиг. 3.2 - Надлъжна изпомпване електронен лъч

лазер инжектиране има р-п-възел, образуван от две изродени примесни полупроводници. При прилагане на постоянно напрежение се понижава потенциала бариера в р-п-възел и се инжектират електрони и дупки. В преходния участък започва интензивно рекомбинация на носители на заряд, при която електрони излизат от обхвата на проводимост на валентната зона и лазерното лъчение възниква (фиг. 3.3).

Фиг. 3.3 - Принципът на инжектиране лазерно устройство

Помпена осигурява импулсна или непрекъсната лазерна режим.

Rezonatorpredstavlyaet двойка огледала, които са успоредни една на друга, между които се поставя на активното средство. Едно огледало ( "сляпо") отразява всички падащата светлина; втората полупрозрачен, част от излъчването се връща в средата за стимулирани емисии и се извежда към външната част под формата на лазерен лъч. Като "слепи" огледални често използват пълно вътрешно призма, като полупрозрачен - купчина от стъклени плочи. Освен това, избора на разстоянието между огледалата, резонатор може да се регулира така, че лазерното лъчение ще генерира само една добре дефинирана тип (т.нар мода).

Най-простият оптичен резонатор, широко използвана във всички видове лазери е плосък резонатор (интерферометър Fabi - Pen), състояща се от две плоски паралелни пластини, разположени на разстояние един от друг.

Както може да се използва огледало сляп плоча, чийто коефициент на отражение се намира в близост до единство. Втората плоча трябва да е полупрозрачен за генерирания радиация може да излезе от резонатор. За да се увеличи коефициентът на отражение повърхности на плочите обикновено се прилагат многослойни диелектрични отразяващи покрития. Усвояването на светлина в такива покрития е почти несъществуващ. Понякога отразяващи покрития се прилагат директно на краищата на една равнина пръти на активното средство. След това необходимостта от дистанционно огледало се елиминира.

Фиг. 4.1. Видове оптични кухини: и - плоска, - призма, по - конфокална R - polukontsentrichesky, г - съединение, д - пръстена, X, Z - пресича, и - с Bragg огледала. Закътана активни елементи.

Правоъгълната призмата (фиг. 4.1b) може да се използва като цел огледало в оптична кухина. Лъчи светлина, падаща перпендикулярно на вътрешната равнина на призмата, в резултат на общо отражение двойно от тях в посока, паралелна на оста на резонатор.

Вместо плоски пластини вдлъбната полупрозрачен огледало може да се използва в оптични резонатори. Две огледала с равен радиуси на кривина разположени така, че техните огнища са в точка Р (фиг. 4.1, в) образуване на конфокална резонатор. Разстоянието между огледала л = R. Ако това разстояние се намалява наполовина, така че фокусът на едно огледало е на повърхността на друго, можете да получите конфокалната резонатор.

За изследвания и различни приложения се използват по-сложни резонатори, състояща не само на огледалата, но други оптични елементи, което позволява да се контролира и променя характеристиките на лазерното лъчение. Например, фиг. 4. 1 г -. Композитен резонатор, в която обобщава генерирана радиация от четирите активни елементи. Жироскопите Лазерните използвани пръстен резонатор, в които двете греди разпространяват в противоположни посоки по продължение на затворен полигон (фиг. 4. 1, д).

Многокомпонентни преминава резонатори (фиг. 4. 1 г, з) се използва за създаване на логическите елементи от компютри и интегрирани модули. Това е по същество набор от лазери, които позволяват селективното им възбуждане и комбинирани със силно оптично свързване.

Специален клас лазери направи лазери с разпределена обратна връзка. В конвенционални оптични резонатори обратна връзка е установена поради отражение на излъчване, генерирано от огледалата за резонатор. При отразяването на разпределение обратна връзка се появява от оптично нехомогенни периодична структура. Един пример на такава структура е дифракционна решетка. Тя може да бъде създаден чрез механични средства (фиг. 4. 1, и), или селективен ефект върху хомогенна среда.

Използвани и други проектни резонатори.

По дефиниция, елементите на резонатор трябва да включват активни и пасивни клапани, радиационни модулатори, поляризатори и други оптични елементи, използвани в получаването на поколение.

Загубите в кухината

поколение радиация може да бъде опростенчески представени като: лазерен работа вещество се поставя в кухината и включва помпена система. Под влияние на външен инверсия възбуждане население е създадена, като коефициента на поглъщане в определена спектрална диапазон е по-малка от нула. По време на възбуда, преди създаването на инверсията на заселеност, работната среда започва да Luminesce. Преминавайки през активната среда, спонтанната емисия се повишава. Печалбата се определя чрез увеличаване на дължина леки пътища в активна среда. Във всеки тип резонатори са така избрани, че посоката на лъчите на светлината поради отражение от огледалата преминава през активната среда, по принцип, безкраен брой пъти. Например, в плоска кухина чрез активното средство може да премине само лъчите посадъчен успоредно на оста на резонатор. Всички останали лъчи са инцидент на огледалото под ъгъл спрямо оста на резонатор, след един или няколко отражения от него. Така че има загуби.

Няколко различни вида загуби в резонатор:

1.Poteri на огледалата за обратно виждане.

Тъй като част от генерирания радиация в околната среда трябва да бъдат изведени от огледалата за резонатор се използват (поне един от тях), са изработени полупрозрачни. Ако огледално отражение коефициенти на еднаква интензивност R1 и R2. загуба на ефективност на резонатор радиация изход на единица дължина се определя по формулата:

Ако лъч се разпространява във вътрешността на кухината не е строго нормалната повърхност на огледалото, то след определен брой отражения достигне краищата на огледалото и да напусне кухина.

3. Загубата на дифракция.

Помислете резонатор, образуван от два самолета огледала кръг радиус. Нека огледало 2 попада паралелно лъч радиация с дължина на вълната # 955;. Гредата отразява от огледалото и едновременно за дифракционния ъгъл г # 981; ≈ # 955; а. Fresnel брой резонатор за даден нарича номер на комбинация между огледалата, когато общият ъгъла на отклонение на лъча ще достигне радиацията се излиза от огледалото ръбове # 981 = а / L

4.Rasseyanie от нехомогенности на активното средство.

Ако кухината е запълнена с активна среда, след това има допълнителни източници на загуби. С течение на радиация чрез активната среда на радиация, разсеяна от нередности и чужди включвания, както и отслабена в резултат на не-резонансна абсорбция. При не-резонансната абсорбцията разбере абсорбция, свързана с оптични преходи между нивата на неработен за околната среда. Това също може да се дължи на загубите, свързани с частично разсейване и поглъщане на енергия в огледалата.