О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 31

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

Рисунок 7.25 Схеми накачування напівпровідникових лазерів: а) електронним потоком (поперечне); б) електронним потоком (поздовжня); в) оптичне накачування (поперечне). 1 електронний потік; 2 напівпровідник; 3 бічні грані резонатора, що забезпечують зворотний зв'язок; 4 вихідне випромінювання; 5 охолоджувальна підложка; 6 оптичне випромінювання накачування

 

 

вальних пластин-підложок. Вони можуть виготовлятися з міді та з високоякісних кристалів залежно від схеми накачування.

Електрони високих енергій не проникають глибоко в напів­провідник. Більшість електронно-діркових пар, що забезпечу­ють інверсійну заселеність, виникає на глибині в кілька мікро­метрів від поверхні, що бомбардується. Так, електронний пучок у 50 кеВ утворює активну область d з інверсійною заселеністю близько 4 мкм, при 10 кеВ d дорівнює 1 мкм, а для 100 кеВ d=9 мкм.

Утворені носії збираються біля країв зони провідності (еле­ктрони) та валентної зони (дірки) і рекомбінують. Грані зразка (найчастіше сколені) служать дзеркалами відкритого лазерно­го резонатора. Когерентне випромінювання виходить із зразка в напрямку, перпендикулярному до падаючого пучка електро­нів [32].

Лазери, що накачуються пучком електронів, зазвичай пра­цюють в імпульсному режимі й мають велику вихідну поту­жність (до 106 Вт в імпульсі). Довжина хвилі випромінювання лежить у діапазоні від УФ- області до найближчої ІЧ- області спектра. Такі лазери менш зручні у використанні, ніж лазери на p - n переходах, через необхідність використовувати скла­дні джерела живлення та вакуумні системи. Однак вони мають ряд переваг, які роблять можливість віддати їм перевагу при ви­рішенні конкретних технічних проблем: дослідження властиво­стей матеріалів, здійснення режиму сканування оптичного про­меня в просторі квантоскопів і т. д. [22], [19], [32].

Для напівпровідникових лазерів застосовується і метод оптичного накачування. Напівпровідник опромінюється інтен­сивним оптичним випромінюванням з енергією фотонів, що пе­ревищує ширину забороненої зони (рис. 7.25 в). За оптичного накачування напівпровідника як джерело накачування зазви­чай використовують випромінювання іншого напівпровіднико­вого лазера. Так, для оптичного накачування лазерів, у яких застосовуються напівпровідники InSb та InAs, використову­ється випромінювання напівпровідникового лазера на GaAs. Застосування джерел з широким спектром випромінювання менш ефективне внаслідок сильного поглинання випроміню­вання широкого спектра напівпровідниковим матеріалом [19], [32]. Також цей тип лазера може працювати як конвертор ча­стоти випромінювання, що рідко використовується [22].

 

Питання для самоегійного контролю

1.  Поясніть явище парамагнітного резонансу та наведіть прилади, в яких він використовується для підсилення електро­магнітних коливань.

2.  Охарактеризуйте основні типи квантових парамагнітних підсилювачів. Наведіть відповідні загальні схеми конструкції приладів.

3.         Дайте та поясніть основні характеристики квантових па-рамагнітних підсилювачів. Наведіть сфери їх застосування.

4.  Наведіть схему конструкції та поясніть принцип дії воло­конного твердотільного квантового підсилювача та генератора.

5.  Наведіть конструкцію активного елемента волоконного лазера на прикладі схеми енергетичних рівнів Er3+, проаналі­зуйте створення інверсійної заселеності та спектральні області генерації.

6.  Проаналізуйте недоліки та переваги волоконних підсилю­вачів та генераторів порівняно з іншими типами лазерів, зазна­чте сфери їх застосування.

7.  Дайте загальну характеристику конструкції, накачування, активних елементів та речовин. Наведіть характеристики та ре­жими роботи лазерів на парамагнітних кристалах та стеклах.

8.  Наведіть та поясніть типову конструкцію, схему робочих енергетичних рівнів і створення інверсійної заселеності, основні характеристики та режими роботи рубінового і лазерів на нео-димових кристалах та стеклах.

9.  Наведіть та поясніть особливості конструкції, активного елемента, накачування, загальних характеристик випроміню­вання мікрочипових твердотільних лазерів.

 

10. Проаналізуйте недоліки та переваги мікрочипових лазе­рів порівняно з напівпровідниковими та іншими типами лазерів.

11. Дайте загальну характеристику конструкції, накачуван­ня, активних елементів та речовин рідинних лазерів. Наведіть характеристики та режими роботи рідинних лазерів.

12. Проаналізуйте недоліки та переваги рідинних лазерів на неорганічних та на органічних барвниках порівняно один з одним і в порівнянні з іншими типами лазерів.

13. Поясніть особливості створення інверсійної заселеності в активних рідинах та наведіть їх класифікацію.

14.  Дайте загальну характеристику конструкції, накачуван­ня, активних елементів і речовин газових лазерів. Наведіть їх характеристики та режими роботи.Проаналізуйте класифікацію газових лазерів за типом активного газу, за методами накачування та створенням інвер­сійної заселеності.

15.  Дайте загальну характеристику конструкції та технічних параметрів, створення інверсійної заселеності й накачування лазерів на нейтральних атомах газу.

16.  Дайте загальну характеристику конструкції та технічних параметрів, створення інверсійної заселеності й накачування іонних лазерів.

17.  Дайте загальну характеристику конструкції та технічних параметрів, створення інверсійної заселеності й накачування молекулярних лазерів.

18.  Дайте загальну характеристику конструкції та технічних параметрів, створення інверсійної заселеності й накачування ексимерних лазерів.

19.  Дайте загальну характеристику конструкції та технічних параметрів, створення інверсійної заселеності й накачування хімічних лазерів.

20.  Проаналізуйте переваги та недоліки газових лазерів по­рівняно з іншими типами лазерів, зазначте сфери їх застосува­ння.

21.  Наведіть та поясніть типову конструкцію, схему робочих енергетичних рівнів і створення інверсійної заселеності, осо­бливості накачування, основні характеристики та режими ро­боти гелій-неонового лазера.

22.  Наведіть та поясніть типову конструкцію, схему робочих енергетичних рівнів і створення інверсійної заселеності, осо­бливості накачування, основні характеристики та режими ро­боти аргонового лазера.

23.  Наведіть та поясніть типову конструкцію, схему робочих енергетичних рівнів і створення інверсійної заселеності, осо­бливості накачування, основні характеристики та режими ро­боти лазерів на CO2.Наведіть та поясніть типову конструкцію, схему робочих енергетичних рівнів і створення інверсійної заселеності, осо­бливості накачування, основні характеристики та режими ро­боти ексимерних лазерів.

24.  Наведіть та поясніть типову конструкцію, схему робочих енергетичних рівнів і створення інверсійної заселеності, осо­бливості накачування, основні характеристики та режими ро­боти хімічних лазерів.

25.  Проаналізуйте класифікацію напівпровідникових лазе­рів за конструкцією, типом активного елемента, за методами та типом накачування, створенням інверсійної заселеності.

26.  Проаналізуйте переваги та недоліки напівпровідникових лазерів порівняно з іншими типами лазерів, зазначте сфери їх застосування.

27.  Поясніть сутність характеристик: порогового струму на­качування, робочого струму та робочої температури напівпро­відникового лазера. Як вони пов'язані з ККД та потужністю ла­зерів? Дайте опис основних типів лазерів цими характеристика­ми.

28.  Спектральні характеристики напівпровідникових лазе­рів, методи їх поліпшення.

29.  Інжекційні напівпровідникові гомолазери та лазери на моно- і гетероструктурах. Недоліки і переваги, основні їх ха­рактеристики, сфери застосування.

30.  Електронне та оптичне обмеження. Поясніть їх відмін­ності, переваги та недоліки застосування поєднаного та роз­дільного електронного та оптичного обмеження.

31.  Поясніть терміни: гомоструктура, гетероструктура, ге-тероперехід, квантоворозмірні структури, потенціальна яма, квантова яма, квантова нитка або дріт, квантова точка або ящик, розмірність електронного газу. Проаналізуйте, як вико­ристання цих структур вплинуло на характеристики напівпро­відникових лазерів.Смужкові лазери з поєднаним та роздільним електрон­ним і оптичним обмеженням. Поясніть їх конструкцію, основні характеристики, переваги та недоліки.

32.  Напівпровідникові гетеролазери з квантоворозмірними структурами: класифікація, відмінності конструкції, основні ха­рактеристики.

33.  Напівпровідникові гетеролазери на надрешітках (над-структурах): конструкція, основні характеристики. Поняття зонної інженерії та мінізон.

34.  Гетеролазери з розподіленим зворотним зв'язком: осо­бливості конструкції, параметри, переваги та недоліки.

35.  Поверхневовипромінювальні напівпровідникові лазери на квантових точках: конструкція, параметри, переваги та не­доліки.

36.  Каскадні напівпровідникові лазери на внутрішньозонних переходах. Поясніть особливості створення в них інверсійної заселеності, переваги та недоліки.

Напівпровідникові лазери з електронним та оптичним збудженням: особливості конструкції, активні напівпровідники, характеристики, переваги та недоліки, сфери застосування.Розділ 8

ПРАКТИЧНІ ЗАВДАННЯ

8.1.   Квантові переходи. Форма та ширина спектральних ліній

 

ЗАДАЧА 1

Довжина хвилі випромінювання дорівнює 10,6 мкм. Визна­чте різницю енергій рівнів, між якими спостерігається цей пе­рехід. Знайти частоту відповідного випромінювання.

Розв'язання

Частота випромінювання

c

V = А"

Різниця енергії між рівнями

 

AE = hv,

v =               = 2, 8 • 1013(Гц),

AE = 6, 62 • 10-34 • 2, 8 • 1013 = 1, 87 • 10-20(Дж).

ЗАДАЧА 2

Довжина хвилі, що випромінюється гелій-неоновим лазе­ром, Аяе-лге = 0,6328 мкм, довжина хвилі, що випромінюється лазером на пучку атомів водню, Ан = 21 см. Визначте, у скіль­ки разів імовірність спонтанного переходу для He Ne-лазера більша, ніж для лазера на атомах водню.

Розв'язання

Шовірність спонтанного переходу між рівнями n та m дорівнює

= hw3Bnm

Anm           2 3 "

П2С3Скористаємося зв'язком довжини хвилі з частотою:

c 2nc ш = 2nv,    v = —,    ш = ——.

Л Л

Iмовiрнiсть спонтанного переходу, що виражається через дов­жину хвилі, має вигляд

 

 

Л3

Відношення ймовірності спонтанного переходу для Яе-ІУе-лазера i для лазера на атомах водню дорівнює

He-Ne       Ля (Bnm) He-Ne Ля

(Anm)H          ^He-Ne{Bnm)H ЛHe-Ne

(Anm )He-Ne =      213 • Ю-6      _ofi in16

(Anm)H       6,3283 10-30 ~  '   ' • ЗАДАЧА 3

Знайти ширину лінії Лоренца.

Розв'язання

Скористаємося співвідношенням, що описує лінію Лоренца:

7                      2 72

дьш) =     - Wnm)   + —Г

2п і 4

Згідно з визначенням ширина лінії це інтервал частот Аш, на краях якого інтенсивність лінії зменшується вдвічі порівняно з максимальним значенням.

Максимальна інтенсивність лінії Лоренца на резонансній чстоті, тобто в точці ш = u;nm, дорівнює 2/(777). Точки, в яких інтенсивність лінії падає вдвічі, визначаються із рівності

1    -   7   \( \2, 72
---  = —-    (ш ^^nm)   +

77    27 4(               \2 _   1     _          1           _  , 7

[id (dnm)   ~4 ,     d1 dnm ~,      d2 dnm + ~

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка