Квантовая оптическая электроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО «Ангарская Государственная Техническая Академия» ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ Кафедра Промышленной Электроники и Информационно-Измерительной Техники Воронова Т.С. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по дисциплине «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ» Часть 2 «КВАНТОВАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» для студентов дневной и заочной форм обучения направления 210100 «Электроника и наноэлектроника» ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ §1.1.Основные понятия и определения Квантовая электроника – область науки и техники исследующая и применяющая квантовые явления для усиления, генерации и преобразования когерентных электромагнитных волн. Оптоэлектроника – это область науки и техники исследующая и применяющая процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации. Интегральная оптика – раздел оптоэлектроники, изучающий и применяющий оптические явления в тонкопленочных полупроводниках и диэлектрических волноводах и структурах, изготовленных на единой подложке методами групповой (интегральной) технологии. Оптическое излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона. Оптический диапазон (Гиперссылка 1.1)– это электромагнитные колебания с длиной волны λ от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон делят на: видимое излучение λ= 0,38 ÷ 0,78 мкм; инфракрасное λ= 0,78 мкм ÷ 1мм; ультрафиолетовое λ= 1 нм ÷ 0,38 мкм. Световые волны – это электромагнитные волны оптического диапазона. Монохроматическое излучение – оптическое излучение, характеризующееся какой-либо одной частотой световых колебаний. Квантовый усилитель – усилитель электромагнитных волн, основанный на использовании вынужденного излучения. Лазер – квантовый генератор (усилитель) оптического излучения. Мазер – квантовый генератор (усилитель) электромагнитного излучения радиодиапазона. Вынужденное излучение – это когерентное электромагнитное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания. Вынужденное испускание - когерентное испускание фотона при квантовом переходе системы в результате взаимодействия с внешним электромагнитным полем. Когерентность (Гиперссылка 1.2) - согласованное протекание во времени и в пространстве колебаний и волновых процессов. Когерентные волны – электромагнитные волны, имеющие постоянные или изменяющиеся по определенному закону амплитуду, частоту, фазу, направление распространения, поляризацию. §1.2. Свойства и преимущества оптоэлектроники Развитие оптоэлектроники объясняется следующими причинами. Высокая частота оптических колебаний (1014—1015 Гц) обуславливает большой объём передаваемой информации и быстродействие. Так, несущая частота υ в оптическом диапазоне значительно выше, чем в радио диапазоне (частота видимой части спектра в миллионы раз больше радио- и теле- диапазона). Отсюда вытекает высокая информационная емкость оптического канала связи. Например, для обычного телеканала требуется полоса частот Δυ ≈ 5МГц и на υ0=300 МГц можно расположить около 10 программ, в то время как в оптическом диапазоне их может быть в миллион раз больше. Длина световой волны существенно меньше, чем радиоволн. Минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет размеры ≈ . Поэтому концентрация оптического излучения в пространстве гораздо выше. Малая длина волны (до 10–4-10–5 см) открывает пути для микроминиатюризации передающих и приёмных устройств оптоэлектроники, а также линий связи. Световоды на несколько порядков меньше по размерам, чем СВЧ-волноводы. Кроме того, в оптическом диапазоне можно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости  0,1. В радиодиапазоне при λ=1 м для этого потребовалась бы антенна порядка сотен метров (размер антенны пропорционален ). Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов они являются электронейтральными, не взаимодействуют между собой и с внешними электрическими и магнитными полями. Фотоны не создают перекрестных помех в линиях связи и обеспечивают идеальную гальваническую развязку между передатчиком и приёмником, что принципиально недостижимо в цепях с электрической связью. Отсюда же следует однонаправленность потока информации; высокая помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между элементами. Передача информации с помощью светового луча не сопровождается накоплением и рассеиванием электромагнитной энергии в линии. Отсюда — отсутствие существенного запаздывания сигнала в канале связи, высокое быстродействие и минимальный уровень искажений передаваемой информации, переносимой сигналом. Оптические методы записи, хранения и обработки информации дают новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено возможностью: а) реализации новых принципов параллельной обработки информации, не имеющиех аналогов в традиционной электронике (например, на основе голографических методов с их огромными возможностями записи, хранения и отображения больших массивов информации); б) достижения высокой плотности записи (≈ 108 бит/см2) в оптических запоминающих устройствах; в) создания сверхбыстродействующих вычислительных систем со скоростью обработки информации ~109—1011 операций в секунду. На сегодняшний день использована лишь небольшая часть преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо, прежде всего, понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они служат фундаментом всей квантовой и оптической электроники. § 1.3. Оптическое излучение Взаимодействие оптического излучения с веществом заключается в поглощении, испускании и рассеянии света атомными системами. В радиодиапазоне в основном проявляются волновые свойства излучения. В диапазоне жесткого и гамма-излучения - преимущественно корпускулярные свойства. В оптической области проявляются и те и другие свойства. Отсюда оптическое излучение должно рассматриваться как электромагнитное поле, подчиняющееся квантовым закономерностям. Однако при рассмотрении различных вопросов, связанных с оптическим излучением, можно использовать одну из упрощенных моделей в виде: - световых лучей (пучков); - световых электромагнитных волн; - фотонных коллективов. Рассмотрим эти модели. 1.3.1. Световые лучи Эта модель заключается в том, что оптическое излучение представляется в виде светового луча (или совокупности лучей, образующих пучок), подчиняющегося законам геометрической оптики. (Гиперссылка 1.3) Световая энергия распространяется вдоль световых лучей. Направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света. Геометрическая оптика базируется на общем для всех разделов оптики фундаментальном законе о независимом распространении лучей. Согласно нему лучи при встрече с другими лучами продолжают распространяться в том же направлении, не изменяя своих характеристик. В этом смысле пучки световых лучей не взаимодействуют друг с другом и после пересечения распределяются независимо. Они подчиняются принципу наименьшего времени (Ферма), а именно: из всех возможных путей, соединяющих точки А и В, свет выбирает тот путь, который требует наименьшего времени для его прохождения (отсюда прямолинейность распространения в однородной среде, законы преломления и отражения). 1.3.2. Электромагнитные волны В этой модели свет представляется в виде электромагнитной волны, распространяющейся в вакууме с постоянной и наибольшей известной скоростью с=(299792  0,5) км/с. Волновая оптика базируется на уравнениях Максвелла (гиперссылка 1.4). Полная система его уравнений в дифференциальной форме : где Е- вектор напряженности электрического поля; Н – вектор напряженности магнитного поля; D – электрическая индукция; В – магнитная индукция; j – плотность тока проводимости;  - плотность электрического заряда. D = r · 0 ·E B = r ·0 ·H (1.2) j = E · где r , r – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости; соответственно; 0 , 0 - диэлектрическая и магнитная постоянные, соответственно (0 = 107/(4с2) Ф/м; 0 = 410-7 Гн/м);  - удельная электрическая проводимость. На границе раздела сред выполняются граничные условия для тангенциальных (индекс ) и нормальных (индекс n) составляющих: Е1 = Е2 ; Dn1 – Dn2 = пов Н1 - Н2 = jпов ; Вn1 = Вn2 (1.3) где пов – поверхностная плотность свободных зарядов; jпов – проекция вектора плотности поверхностных токов проводимости на направление [tn]. Уравнения (1.1) – (1.3) называются системой уравнений Максвелла, система является полной и из нее можно получить все свойства электромагнитного поля. Из них видно, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле и наоборот. В результате появляются электромагнитные волны. Перечислим основные свойства электромагнитных волн. Электромагнитная волна распределяется в вакууме со скоростью (с – электрическая динамическая постоянная или скорость света). Электромагнитные волны являются поперечными. Векторы v, Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему, а именно: из конца вектора v вращение от Е к Н происходит по кратчайшему расстоянию против часовой стрелки. Энергия электромагнитного поля в единице объема, называется объемной плотностью энергии излучения : . (1.4) Распределение электромагнитной энергии в пространстве характеризуется вектором Пойтинга Дж/(м2∙с) = Вт/м2 . (1.5) Его направление совпадает с направлением распространения энергии излучения, а абсолютное значение равно количеству энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через поверхность перпендикулярную направлению . Абсолютное значение: . (1.6) Световой поток – отношение энергии, переносимой излучением, ко времени переноса, значительно превышающему период световых колебаний. Интенсивность излучения: . Световой луч – линия, совпадающая с линией переноса световой энергии. Наряду с энергией электромагнитное поле переносит импульс (количество движения), распределенный в пространстве с объемной плотностью Р: . (1.7) Плоская волна – когда векторы Е и Н зависят только от времени и одной декартовой координаты. В плоской волне все лучи параллельны друг другу. Монохроматическая электромагнитная волна – когда компоненты векторов Е и Н электромагнитного поля совершают гармонические колебания. Их зависимость от времени определяется множителем вида cos(t+), где  - угловая (циклическая, круговая) частота волны. Напомним некоторые соотношения, связанные с волновыми процессами. Величина - длина волны монохроматического излучения – расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Период колебаний , где υ – частота колебаний, v – скорость распространения волны в среде. Волновой вектор ,где n - единичный вектор в направлении распределения волны. Продольная волна – волна, в которой колебания совершаются вдоль направления распространения. Представляет собой чередование сгущения и разряжения в упругой среде (газ, жидкость, твердое тело). Примером таких волн могут быть акустические волны. В редких случаях существуют примеры продольных электромагнитных волн (в сильно диспергирующих средах). Поперечная волна – волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны). Возможны в среде, где деформации сдвига вызывают упругие силы (в твердых телах, на границе раздела 2-х жидкостей или жидкости и газа).· Поперечная волна обладает поляризацией, (Гиперссылка 1.5) т.е. вектор её амплитуды определённым образом ориентирован в поперечной плоскости. Рассмотрим это свойство более подробно. Световой луч, в котором колебания электрического (Е) и магнитного (Н) векторов происходят по вполне определенным взаимно перпендикулярным плоскостям, называют плоско поляризованным. Плоскость, в которой происходят колебания вектора напряженности электрического поля Е, называют плоскостью поляризации (рис.1.1) Рисунок 1.1 Свет, у которого векторы Е и Н в любой точке пространства вращаются, а концы этих векторов описывают эллипсы, называют эллиптически поляризованным, частный случай – поляризованный по кругу – циркулярно поляризованный свет. Различают правую (по часовой стрелке) и левую (против часовой стрелки) поляризацию, если смотреть навстречу волне. Эллиптически поляризованная волна получается при наложении 2-х линейно поляризованных волн. Свет, у которого векторы Е и Н хаотически меняют направление, называют неполяризованным или естественным. Для плоской монохроматической волны, распространяющейся в направлении z, решение волновых уравнений можно представить в виде: (1.10) или (1.11) где Е0 – некоторый постоянный вектор, называемый амплитудным вектором; с – фазовая скорость света. Выражения (1.10) и (1.11) идентичны. С использованием волнового вектора k уравнение (1.11) можно представить в виде, независящем от координат: - для напряженности электрического поля (1.12) - для напряженности магнитного поля (1.12 a) где (kr-t) – фаза волны. Понятие плоской линейно поляризованной волны – абстрактное, т.к. она должна распространяться в пространстве от -  до +. Если она оканчивается, то это уже не монохроматическая волна (т.к. существует не при всех t) и ее можно представить в виде совокупности плоских монохроматических волн, т.е. в виде разложения Фурье. Совокупность монохроматических волн, образующих реальную волну, называют группой волн или волновым пакетом. Любую реальную волну можно представить суперпозицией идеализированных монохроматических волн с разными частотами . Все известные приемники оптического излучения реагируют не на электрическое и магнитное поля волны, а на плотность светового потока, усредненную за время наблюдения. Интенсивность I электромагнитной волны (света) – величина, численно равная энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распределения волны, т.е. она определяется модулем S: (1.9) где <…> - среднее значение. Для плоской линейно поляризованной волны I(E0)2. Для описания распределения энергии по частоте, т.е. спектрального распределения, используют функцию (), которая называется спектральной плотностью излучения, и связана с интегральной плотностью излучения  соотношением: , (1.13) где ()d - энергия электромагнитного поля в единице объема в интервале частот от  до (+d). 1.3.3. Фотоны Кроме описанных ранее волновых свойств свету присущи и корпускулярные свойства (третья модель). Элементарная частица (квант) электромагнитного излучения называется фотоном. (Гиперссылка 1.6) Свойства фотона: 1) Энергия E и импульс Р связаны следующими соотношениями с частотой ω и волновым вектором k эквивалентной плоской монохроматической волны: Eфот = ħω; (1.14) Рфот = ħk , (1.15) где ħ =h/2π= 1,0510-34 [Дж*с] – постоянная Планка; 2) Масса покоя фотона равна нулю (10-21 mе). Скорость фотона в вакууме равна с. Не существует системы отсчета, в которой фотон покоится. 3) Фотон электрически нейтрален (не имеет заряда). 4) Спин равен 1 (в единицах ħ). 5) Каждый фотон может находиться в некотором состоянии поляризации (например, линейно поляризованное излучение – состоящее из фотонов, каждый из которых поляризован таким же образом). С точки зрения квантовых представлений оптическое излучение является фотонным коллективом, состоящим из Nk фотонов в k-состояниях, то есть как газ, состоящий из частиц с энергией ħω и импульсом ħk. Обмен энергией и импульсом между фотоном и атомной системой (электроном, атомом, молекулой…) происходит путем рождения одних и исчезновением других квантов света (!!! в отличие от взаимодействия других частиц электронов, атомов, ионов…). Это свойство отражается в законах сохранения энергии и импульса. Пусть Е=ħω и Р=ħk – это энергия и импульс системы до взаимодействия с фотоном, а E'= ħω' и P' =ħk' – после взаимодействия. После взаимодействия (столкновения) квант света изменит (или не изменит) свою энергию и импульс до ħω', ħk'. По законам сохранения: ħω+Е= ħω'+ Е' (1.16) ħk+Р'= ħk'+ Р' (1.17) В соотношениях (1.16) и (1.17) заложена связь между волновыми и корпускулярными свойствами света. Плотность энергии ρ светового поля можно представить в виде суммы энергий фотонов , (1.18) где Nk - число фотонов в единице объема. Полный импульс равен (1.19) Сравнение формул (1.18) и (1.19) с аналогичными классическими выражениями (1.4) и (1.7) позволяет перейти от числа фотонов в kα состояниях к амплитуде электромагнитной волны с поляризацией α и волновым вектором k. Поведение фотонов в коллективе описывается статистикой Бозе-Эйнштейна (т.к. спин равен 1). Химический потенциал µ невырожденного газа всегда отрицательный и имеет довольно большое значение. Химический потенциал равновесного фотонного газа равен нулю, поэтому фотонный газ всегда вырожден. Для бозонов не действует принцип Паули, поэтому в одинаковых квантовых состояниях может находиться неограниченное число фотонов. Более того, для бозонов характерно, что чем более заселено данное квантовое состояние, тем выше вероятность его дальнейшего заселения. При этом фотоны не взаимодействуют друг с другом, что дает возможность поставить в соответствие коллективу фотонов классическую электромагнитную волну. Квантово-механическое описание электромагнитного излучения более полное, чем классическое. Но часто на практике удобнее пользоваться волнами (частным случаем квантово-механического описания). При классическом описании энергия светового поля ρ и импульс Р меняются непрерывно (1.4), (1.7), а при квантово-механическом - скачками (1.18) (1.19). Но квантованием (дискретностью) поля можно пренебречь, если энергия светового поля ρ существенно больше энергии кванта ρ>>ħω, т.е. Nk>>1 - условие классичности. (1.20) § 1.4 Энергетические состояния атомов и молекул Внутренняя энергия квантовых систем (атомов, молекул связанных между собой) может принимать лишь разрешенные дискретные значения. Каждому из них соответствует одно или несколько устойчивых состояний. 1.4.1 Состояние электрона в атоме водорода В квантовой механике основой для описания свойств служит атом водорода. Задача об атоме водорода сводится к задаче о движении и взаимодействии двух тел: ядра (протона) с массой МР и зарядом +е и электрона с массой m и зарядом –е. Взаимодействие – по закону Кулона: . При решении стационарного уравнения Шредингера (для внутреннего движения атома имеет вид , где - оператор Лапласа, после перехода от декартовых к сферическим координатам r, ,  и разделения переменных) получается, что значения волновой функции  и энергии Е зависят от трех целочисленных индексов n, l, ml – квантовых чисел. При этом собственное состояние атома водорода полностью характеризуется состоянием электрона, т.е. следующими квантовыми числами: 1) главное квантовое число n (n=1; 2; 3…) – определяет собственное значение энергии для связанного состояния электрона в атоме водорода. Получается решением уравнения Шредингера для атома водорода при наложении квантовых условий. 2) орбитальное квантовое число l - определяет в единицах ħ величину орбитального момента количества движения электрона Мl, движущегося вокруг ядра. Момент количества движения электрона . При заданном n квантовое число l может принимать целочисленные значения от l=0 до (n-1): l=0; 1; 2; 3; 4..., обозначается s; p; d; f; g…, соответственно. 3) магнитное квантовое число ml – определяет в единицах ħ проекцию орбитального момента количества движения электрона на направление Z, задаваемое внешним воздействием: . Квантовое число ml может принимать значения: ml =0; 1; 2;…l (рис.1.2). Рисунок 1.2 Рисунок 1.3 Наличие спина электрона приводит к дополнительным степеням свободы. Поэтому при описании движения электрона кроме координат используют еще две величины, описывающие собственный внутренний момент и его проекцию на избранное направление в пространстве, т.е. спиновые квантовые числа s и ms. 4) спиновое квантовое число s - определяет в единицах ħ спиновый момент количества движения электрона . Для отдельного электрона s может принимать только одно значение s =½. 5) спиновое квантовое число ms – определяет в единицах ħ z-компоненту спинового момента количества движения электрона (рис. 1.3). Задание системы квантовых чисел n, l, ml, s, ms полностью определяет состояние электрона атома водорода (независимые невозможны). Однако можно объединять некоторые из них. Например, вместо двух, рассматриваемых отдельно (орбитального и спинового) моментов количества движения, можно ввести третий, равный векторной сумме первых двух, а также учесть проекцию суммарного момента на ось Z; 6) квантовое число j (учитывает Ml и Ms) - определяет в единицах ħ полный момент количества движения, как векторную сумму орбитального Ml и спинового Ms моментов: Mj =Ml +Ms , где j=(l+s); (l+s-1); (l+s-2) … (l-s); 7) квантовое число mj определяет в единицах ħ z-компоненту полного момента количества движения электронa . Оно может принимать (2j+1) разрешенных состояний через единицу. Система (n, l, ml, s, ms) удобна для рассмотрения отдельного электрона в атоме, а система (n, l, s, j, mj) удобна для рассмотрения сложных атомов. 1.4.2. Многоэлектронные атомы Во многоэлектронных атомах состояния электрона с заданными n и l образуют электронную оболочку, например 1s; 2p4 оболочка (например, расшифровка обозначения оболочки 2p4: главное квантовое число n=2, орбитальное квантовое число l соответствует р-оболочке (l=1), 4 - число электронов в р-оболочке). На рисунке 1.4 изображены уровни энергии многоэлектронного атома. Уровни вырождены по ml, ms, но по l вырождение снимается. Рисунок 1.4 1.4.3. Свободный атом Свободный атом представляет собой полную независимую систему и может быть также описан с помощью квантовых чисел. Во многих случаях совокупности электронов можно приписать суммарные орбитальный и спиновый моменты. Обозначаются они заглавными буквами: L, S. Например, для двух электронов в состоянии l1 и l2; s1 и s2: ; , где … - квантовое суммирование. Для i электронов ; . (1.21) То есть, полный орбитальный момент атома L образуется суммированием орбитальных моментов электронов, а полный спин S – спиновым моментом электронов. Энергетические состояния атомов с заданными L и S называются спектральным термом. Каждый терм вырожден соответственно различным направлениям векторов L и S в пространстве. Кратность вырождения равна (2L+1) (2S+1). Полный момент момента количества движения J= L + S (1.22) Уровни энергии атомов (термы) принято обозначать символами χLj, где значения L=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6… указываются заглавными буквами S, H, D, F, G, H, I…, соответственно; χ=2S+1 – мультиплетность уровней (S – полный спиновый момент (1.21)), J – полный момент количества движения (1.22). Так обозначение терма 3D2 – означает уровень с L=2, S=1 (χ=2S+1=3), J=2; обозначение терма 1S0 – означает уровень с L=0, S=0 (χ=2S+1=1), J=0. 1.4.4. Молекула Полную энергию молекулы можно представить в виде кинетической энергии центра масс и внутренней энергии молекулы. В отличие от атома в молекуле появляются две дополнительные степени свободы, связанные с колебательным и вращательным движением. Так как массы ядер атомов, составляющих молекулу, велики по сравнению с массой электронов, а скорости движения ядер малы по сравнению со скоростью движения электронов, то внутренняя энергия (Е) молекул равна Е = Еэл + Екол +Евр , (1.23) где Еэл - электронная энергия; Екол - колебательная энергия, связанная с колебанием ядер относительно центра масс; Евр - вращательная энергия, обусловленная вращением молекул относительно центра масс. Все эти энергетические уровни квантованы. Порядок значений Еэл - это единицы или десятки эВ; энергетическое расстояние между колебательными уровнями – это десятые доли эВ; расстояние между вращательными уровнями - тысячные доли эВ. 1.4.5. Эффект Зеемана и эффект Штарка При помещении атома или молекулы во внешнее поле их уровни энергии изменятся. Расщепление и смещение энергетических уровней под действием электрического поля - эффектом Штарка (Гиперссылка 1.7), под действием магнитного поля называется эффектом Зеемана (Гиперссылка 1.8). Сущность этих эффектов в следующим. При помещении атома в однородное магнитное или электрическое поле появляется выделенное направление z. Электроны будут двигаться не в сферическом поле (поле со сферической симметрией), а в цилиндрическом поле (аксиальная симметрия). Это приведет к тому, что полный момент количества движения атома J уже не будет сохраняться, а будет сохраняться только проекция MJ полного момента на выделенное внешним полем направление. Поэтому состояния с различными значениями Mj будут обладать различными энергиями, то есть под действием внешнего магнитного или электрического поля произойдет расщепление уровня на подуровни (снятие вырождения). § 1.5 Квантовые переходы Квантовым переходом называется характерный для квантовой системы (атома, молекулы, иона и т.д.) переход из одного квантового состояния в другое, происходящий под влиянием какого-либо взаимодействия, присущего частицам данной системы. Система, способная к квантовому переходу, должна обладать, по крайней мере, двумя различными квантовыми состояниями – начальным и конечным. Согласно Гейзенбергу, принципиально невозможно проследить на опыте поведение элементарных частиц в акте их взаимодействия. Наблюдению доступны только начальные и конечные состояния. Следовательно, квантовый переход необходимо рассматривать как происходящий скачкообразно. Квантовый переход из начального состояния в конечное можно представить как переход через некоторое промежуточное виртуальное состояние, в котором система находится очень малое время. Энергия каждого из состояний (начального и конечного) не может быть определена точно. Согласно принципу неопределенности неточность задания энергии  каждого из состояний, способных к переходу, связана со средним временем жизни данного состояния t следующим неравенством: ΔEΔt ≥ ħ. Если неопределенность времени Δt мала, то неопределенность энергии ΔЕ может быть большой, поэтому невозможно определить состояние системы в виртуальном состоянии. Это состояние используется при рассмотрении квантовых переходов как ступенька к реальному переходу. Наиболее важными являются квантовые переходы между стационарными состояниями квантовой системы - квантовые переходы системы с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии Em на более низкий En система отдаёт энергию, при обратном переходе — получает её (рис.1.5). Выделяемая или получаемая энергия ΔЕ=(Em - En). Рисунок 1.5 Квантовые переходы могут быть излучательными и безызлучательными. Излучательные (радиационные) квантовые переходы характеризуются изменением энергии системы в результате поглощения либо испускания квантов электромагнитного излучения (фотонов). Согласно правилам частот Бора, такие переходы возможны, если энергия фотона ΔЕ=Еm _ En = ħω (1.24) Безызлучательные (нерадиационные) квантовые переходы связаны с перераспределением энергии между различными подсистемами квантовой системы (например, подсистемами ядер и электронов молекулы), а также с переносом энергии от квантовой системы к окружению, которое может не рассматриваться как часть квантовой системы. При этом подразумевается, что перенос энергии не сопровождается ее выделением или поглощением в виде электромагнитного излучения. Основными характеристиками квантового перехода являются вероятность перехода, равная числу переходов в единицу времени (1 с), и время жизни (гиперссылка 1.9) квантового состояния, участвующего в переходе. Если система может претерпевать несколько квантовых переходов, как излучательных, так и безызлучательных, то полная вероятность изменения состояния системы равна сумме вероятностей квантовых перехoдов различных типов. Временем жизни k-гo состояния τk называется средняя продолжительность пребывания системы в этом состоянии. Чем меньше время жизни данного состояния, тем больше вероятность перехода системы из этого состояния в другие. Для вычисления вероятности квантового перехода нужно знать энергетический спектр невозмущенной системы и так называемые матричные элементы возмущения, которые представляют собой возможные значения энергии системы при возмущениях. Их получение – достаточно сложная задача и выходит за рамки настоящего курса. § 1.6. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна Процессы испускания и поглощения фотонов можно рассматривать на основе теории излучения Энштейна (1917 г.). Рассмотрим квантовый переход из одного энергетического состояния Е в другое – Е*. Пусть имеются два энергетических состояния Еm > En. Тогда из закона сохранения энергии возможны 3 вида взаимодействия: (Гиперссылка 1.10) 1) E = Em ; E* = En < Em; ħω*= ħωmn = Em – En; ħω = 0, то есть система перешла из более высокого энергетического состояния Em в более низкое En с испусканием кванта света с энергией ħωmn. Этот процесс называется спонтанным испусканием фотона (рис.1.6, а). Фотоны с энергией ħω ≠ Em - En во взаимодействии не участвуют, поэтому ħω = 0. 2) E = En; E* = Em > En; ħω = ħωmn = Em – En; ħω*= 0, то есть система перешла из более низкого En в более высокое Em энергетическое состояние при поглощении кванта света с энергией ħωmn. Этот процесс называется резонансным поглощением фотона (рис.1.6, б). 3) E = Em; E* = En < Em; ħω = ħω* = ħωmn = Em - En. Из формулы (1.16) следует, что в третьем случае фотон ħω не исчезает, а появляется дополнительный фотон ħω*=ħω, т.е. в правой части уравнения (1.16) появляется 2ħω=2ħωmn (E+ħω=E*+2ħω). Таким образом, в результате вынуждающего фактора (фотона) система перешла из более высокого Em в более низкое En энергетическое состояние с испусканием фотона той же частоты. Это вынужденное (индуцированное) испускание фотона. Оба фотона становятся неразличимы (рис.1.6, в). Рисунок 1.6 Вынуждающим фактором является фотон с частотой ωmn= (Em- En)/ħ, поэтому эти процессы называются вынужденными. На перечисленных трех элементарных процессах взаимодействия электромагнитного излучения с квантовыми системами основана работа большинства приборов квантовой оптической электроники. Спонтанное испускание (рис.1.6, а) возникает самопроизвольно. Управлять этим процессом и предсказать его невозможно. Можно говорить лишь о вероятности перехода. Вероятность спонтанного перехода W с уровня Em на уровень En за время dt с испусканием кванта света выражается соотношением: , (1.25 а) где Аmn - коэффициент Эйнштейна для спонтанных переходов. Его значение равно среднему числу квантов, испускаемых системой за 1 с и отнесенному к числу молекул в системе. Значение Аmn не зависит от внешних воздействий и определяется только свойствами данной квантовой системы. Величина Аmn изменяется в пределах от 108 с-1 (для разрешенных, наиболее вероятных, переходов) до 1 с-1 (для запрещенных переходов). Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы излучают независимо и несинхронно, поэтому спонтанное излучение не направлено, не поляризовано, не монохроматично – естественное излучение (лампы накаливания, люминисцентные, газоразрядные и другие лампы). Вынужденные (индуцированные) квантовые переходы происходят под воздействием внешнего возмущения, которым является электромагнитное излучение. Вероятность таких переходов пропорциональна интенсивности переходов, поэтому вероятность поглощения фотона с частотой ωmn = (Em - En)/ħ (рис 1.6, б), обусловленная переходом nm за интервал времени dt, равна , (1.25 б) где Вnm – коэффициент Эйнштейна для вынужденных (индуциронанных) переходов с поглощением; ρ(ω) – спектральная плотность излучения см. (1.13) . Если атом находится в возбужденном состоянии Em и на него действует электромагнитное излучение с частотой ωmn = (Em - En)/ħ, то это излучение способствует переходу атома на низшее состояние (рис. 1.6, в). В результате атом отдает энергию электромагнитной волне, амплитуда которой (число фотонов) увеличивается. Это вынужденное индуцированное испускание. Оно также пропорционально интенсивности возмущающего фактора: , (1.25 в) где Bnm – коэффициент Эйнштейна для вынужденных (индуцированных) переходов с испусканием. Важно, что испущенный фотон не различим с фотоном, индуцировавшим процесс. Оба фотона имеют одинаковые частоту, фазу, поляризацию, направление. Поэтому вынужденное излучение является когерентным. Такое излучение в оптическом диапазоне испускают только оптические квантовые генераторы - лазеры. Определим связь между коэффициентами Эйнштейна. Пусть при температуре Т на уровне Em находится Nm частиц, а на уровне En – Nn частиц. Тогда число поглощенных квантов света за время dt равно: Число испущенных при индуцированных переходах квантов равно В условиях термодинамического равновесия суммарное количество квантов, испущенных системой, равно числу поглощенных квантов: или (1.26) В условиях термодинамического равновесия распределение атомов и молекул по энергетическим уровням подчиняется распределению Больцмана: (1.27) , где N – полное число частиц в единице объема/ Отсюда следует, что . (1.28) Nm, Nn - населенность энергетического уровня. Для невырожденных систем она совпадает с числом частиц в единице объема, находящихся на этом уровне. Подставляя полученное выражение (1.28) в (1.26), получим (1.30) Для вынужденных переходов в случае, когда ћω<0, при >>0 осциллятор с резонансной частотой 0 не вносит вклада в поляризуемость вещества. Когда имеется затухание, то -функцию заменяет функция Лоренца (рис 1.14 в). Область внутри спектральной линии шириной  около резонансной частоты 0, где и - область аномальной дисперсии. Из рисунка видно, что аномальная дисперсия наблюдается в области интенсивного поглощения. Контрольные вопросы к главе 1 1. В чем заключаются преимущества оптоэлектроники по сравнению с обычной электроникой и на каких свойствах оптоэлектроники они основаны? 2. Какие физические модели используются для описания оптического излучения? 3. В чем заключается принцип Ферма? Какие следствия вытекают из этого принципа? 4. Почему световое излучение можно описать системой уравнения Максвелла? Каков вид и каков физический смысл каждого из этих уравнений? 5. Чему равна и что показывает объемная плотность энергии световой волны? 6. Какая волна называется плоской? 7. Что такое монохроматическая волна? 8. Что показывает волновой вектор? 9. Чем отличаются продольные и поперечные волны? 10. Какая световая волна является плоско поляризованной, эллиптически поляризованной (правая, левая поляризация)? 11. Какая плоскость называется плоскость поляризации? 12. Является ли поляризованным солнечное излучение, свет лампочки накаливания, излучение светодиода? 13. Почему понятие плоской линейно поляризованной волны является абстрактным? Как ее можно получить? 14. Что такое спектральная плотность излучения, что она показывает? 15. Что такое фотон? Каковы его энергия и импульс? 16. Каковы основные свойства фотона? 17. Чем принципиально отличается обмен энергией между атомной системой и фотоном по сравнению с обменом, осуществляемым электроном? 18. Что такое бозоны и чем они отличаются от фермионов? 19. В чем заключается физический смысл основных квантовых принципов: принципа запрета Паули и принципа неопределенности Гейзенберга? 20. Какие квантовые числа Вы знаете? Что они означают? Какие значения они могут принимать? Каким образом они получены? 21. Почему на каждой электронной оболочке атома может находиться только ограниченное число электронов? 22. Что такое спектральный терм? 23. Какие составляющие определяют полную энергию молекулы? 24. Каково соотношение энергий между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии? 25. В чем заключаются эффекты Зеемана и Штарка? 26. Что такое квантовый переход? 27. Почему квантовый переход рассматривается как скачкообразный акт взаимодействия? 28. Что можно сказать об энергии состояния, если время пребывания на нем конечно и мало? 29. Какой квантовый переход называется спонтанным? Какова его энергетическая схема? Как описывается вероятность такого перехода? 30. Чем индуцированные переходы отличаются от спонтанных? 31. Каковы энергетические схемы вынужденных переходов и поглощением и испусканием кванта света? Какова энергия этих квантов? Как описывается вероятности таких переходов? 32. Что показывают коэффициенты Эйнштейна? 33. Каково соотношение коэффициентов Эйнштейна для вынужденных переходов с поглощением и испусканием кванта? 34. Каково соотношение коэффициентов Эйнштейна для спонтанных и вынужденных переходов? 35. Как определяется вероятность спонтанного перехода, если известно среднее время пребывания (время жизни) атома в возбужденном состоянии? 36. Какие переходы называются безызлучательными? 37. Вследствие чего происходит уширение спектральных линий? 38. Что показывает форм-фактор спектральной линии? Что означает условие его нормировки? 39. Как соотносятся на графике контуры спектра спонтанного и когерентного излучения? 40. Для каких сред характерны форм- факторы Лоренца и Гаусса? 41. Как на графике соотносятся формы спектральных линий Лоренца и Гаусса при одинаковой их ширине на уровне 0,5? 42. Что такое рассеяние света? Чем оно может быть обусловлено? 43. Чем отличается релеевское рассеяние от комбинационного? 44. В чем разница между стоксовым и антистоксовым смещениями? Каково соотношение их интенсивностей в состоянии термодинамического равновесия? 45. Каков физический смысл комплексного показателя преломления? 46. Напишите уравнение электромагнитной волны с угловой частотой ω, распространяющуюся с фазовой скоростью с/n и испытывающую ослабление. Объясните, что показывает каждый из сомножителей и продемонстрируйте их на графике. 47. О чем свидетельствует закон Бугера-Ламберта? 48. Что показывает коэффициент поглощения? Как его можно определить по графику I(z)? 49. Продемонстрировать на графике частотную зависимость показателей преломления и поглощения в случаях отсутствия затухания и при затухании. ГЛАВА 2. УСИЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ § 2.1. Принцип работы квантовых усилителей и генераторов Пусть монохроматическая волна частотой ω проходит через среду, в которой N1 атомов находятся в энергетическом состоянии Е1, а N2 - в состоянии Е2 (Е2 >Е1). Интенсивность волны Iω=ρ(ω)·v, т.е. волна со скоростью v распространяется в направлении z (рис.2.1) (v=c/n – скорость распространения волны с среде с показателем преломления n). Рисунок 2.1. Прохождение плоской электромагнитной волны через слой вещества dz При прохождении через слой вещества dz интенсивность изменяется. Число квантов, поглощенных в этом слое за счет перехода Е1→Е2, равно N1·b12(ω)·ρ(ω)·dz. Число испущенных квантов за счет индуцированных переходов Е2→Е1, равно N2·b21(ω)·ρ(ω)·dz, где b12(ω) и b21(ω)·– дифференциальные коэффициенты Энштейна из (1.39б) и (1.39в). Рассчитаем изменение интенсивности, приняв сечение dz=1, пренебрегая спонтанным излучением, т.к. оно ненаправлено и с учетом (1.39 б,в): dIω=ћω[N2b21(ω)-N1b12(ω)]ρ(ω)dz=ћω·n/c·g(ω) [N2B21-N1B12]Iω·dz. Учитывая, что для вынужденных переходов Bmn=Bnm (1.31) (это следует из (1.30) при ћω< N2, то изменение интенсивности dIω – отрицательное, т.е. происходит ослабление волны. Если N2>N1, то dIω >0, т.е. происходит усиление волны. Состояние вещества, при котором населенность верхнего энергетического уровня больше населенности нижнего называется инверсией населенности ( N2>N1). Инверсия населенности является необходимым, но недостаточным условием для усиления света. Условием достаточности является такая степень усиления света за счет вынужденного испускания, которая превышает все возможные потери. Если частота перехода ω21 лежит в оптическом диапазоне – то это лазерное усиление, если в СВЧ – диапазоне – мазерное усиление. Обозначим в формуле (2.1) коэффициент перед Iω·dz как kω: (2.2) Тогда –dIω/Iω=kωdz. Если kω не зависит от интенсивности Iω и координаты z, то интегрирование дает закон Бугера-Ламберта (1.33): . (2.3) Приведем графики изменения интенсивности света при прохождении через различные среды (рис.2.2). Кривые: 1 – поглощение; 2 – просветление; 3 - усиление Рисунок 2.2 При N1> N2 показатель поглощения kω>0 и интенсивность волны уменьшается по экспоненте (кривая 1, аналогично рис. 1.13). При N1= N2, то kω=0, что соответствует просветлению среды (кривая 2). При N2>N1 (инверсия населенностей) kω<0 и интенсивность волны возрастает по экспоненте (кривая 3) с показателем (степенью инверсии ΔN): ΔN = N2 - N1 (2.4) Отрицательное поглощение является усилением, поэтому вводится натуральный показатель усиления аω: аω=kω. Поскольку ω мало меняется в пределах спектральной линии по сравнению с g(ω) и g(ω)-нормирована, то интегральный показатель поглощения К равен: . (2.5) Максимальное усиление наблюдается вблизи максимума спектральной линии при ω=ω0. Тогда при ω=ω0=ω21 для Лоренцевой спектральной линии (1.36) имеем: (2.6) При термодинамическом равновесии N2<N0). Величина называется пороговой плотностью накачки по инверсии. Возрастание интенсивности накачки приводит к увеличению инверсии ΔN=N2-N1 и к увеличению усиления. При больших плотностях накачки населенности основного и верхнего состояний выравниваются. При наличии резонатора генерация наступает при пороговом уровне накачки . При возрастании накачки увеличение поступления частиц на уровень Е1 компенсируется возрастанием числа активных переходов 1→0 и наступает насыщение усиления. Поэтому в режиме генерации инверсия ΔN=N1-N0 остается приблизительно постоянной (пунктирные линии на рис. 2.8). Ее значение примерно равно пороговой перенаселенности, при которой усиление превышает потери в генераторе при пороговой накачке . 2.3.3. Четырехуровневая схема В этой схеме каналы генерации и накачки полностью разделены, что позволяет создать инверсию населенности при минимальном уровне накачки. Механизм создания инверсии следующий (рис. 2.9 а). Рисунок 2.9 Накачка переводит атомы из основного состояния Е0 в верхнее Е3. Инверсия достигается между уровнями Е2 и Е1. Для этого необходимо, чтобы уровень Е2 быстро заполнялся за счет 3→2, а Е1 быстро опустошался за счет 1→0. Наличие реально существующих переходов 3→0, 3→1, 2→0, 0→1 и 2→3 приводит к уменьшению инверсии, т.е. снижает качество усиления и генерации. На рис. 2.9 б показано распределение населенностей уровней в зависимости от интенсивности накачки. Из него видно, что малое накопление частиц на уровне 3 приводит к инверсии населенностей, т.е. пороговый уровень накачки близок к нулю. 2.3.4. Требования для обеспечения эффективности лазерных схем 1) Энергетические расстояния в релаксационных процессах (3→2 и 1→0 в четырехуровневой схеме и 2→1 (первый тип) или 1→0 (второй тип) в трехуровневой схеме) должны быть больше kT для исключения термического заселения. Однако они не должны быть слишком большими, иначе большая часть энергии накачки будет расходоваться бесполезно. Это приведет к уменьшению КПД и разогреву активного вещества. 2) При оптической накачке, когда источник накачки излучает в широкой области спектра, необходимо, чтобы верхний уровень был достаточно широким для более полного использования излучения накачки. 3) Для исключения самопоглощения (обратных переходов в релаксационных процессах) необходимо, чтобы релаксационные процессы происходили за счет неоптических (безызлучательных) переходов. 4) Время жизни на верхнем лазерном уровне должно определяться излучательными процессами, а вероятность безызлучательных переходов должна быть минимальной. § 2.4. Оптические резонаторы Резонатором называется колебательная система, в которой возможно накопление энергии акустических, механических и электромагнитных колебаний. Простейший электромагнитный резонатор – колебательный контур. С увеличением частоты размеры контура становятся сравнимыми с длиной волны, что приводит к резкому возрастанию излучения из контура, и он теряет резонансные свойства. Поэтому в СВЧ-диапазоне (109 – 1011 Гц или λ= 0,3 – 30 см) применяют объемный резонатор (Гиперссылка 2.1), который представляет собой полость с проводящими стенками. В нем могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами, а колебания - собственными колебаниями или модами. Так, для объемного резонатора, представляющего собой прямоугольный параллелепипед с размерами ребер L1, L2, L3 в направлениях x, y ,z, длины волн собственных колебаний λmnq определяются как: (2.9) где m, n, q – целые числа, определяющие число полуволн, укладывающихся вдоль стенок L1, L2, L3. Если m= n=0, то 1/λ00q = q /2L3 (q = 1, 2, 3…) или L3.=0,5λ q – это является условием возникновения стоячей волны (должно установиться целое число полуволн на длине резонатора). Размеры объемных резонаторов сравнимы с длиной волны, поэтому число мод в таком резонаторе мало и частоты далеко разнесены друг от друга по спектру. Изменяя размеры резонатора, можно изменять (перестраивать) его резонансные частоты. Кроме спектра частот, резонаторы характеризуются также потерями энергии (тепловыми, на излучение в окружающее пространство). Это свойство описывает добротность резонатора Q: отношение энергии, запасенной в резонаторе, к средней энергии, теряемой за некоторое время. Добротность резонатора определяется по формуле: (2.10) где Еполн – полная энергия, запасенная в резонаторе; Епотерь(Т) – энергия, теряемая за период; Епотерь(1 с) – энергия, теряемая за 1 с. Полуширина спектральной линии Δω=ω0/Q, следовательно Q = ω0/Δω. (2.11) Для объемных резонаторов СВЧ-диапазона ориентировочно Q=103. Из (2.10) изменение энергии Eω, запасенной в моде частотой ω за время dt равно: . Отсюда следует, что запасенная в резонаторе энергия (соответственно и интенсивность излучения) вследствие потерь будет уменьшаться по экспоненциальному закону: . Отсюда постоянная времени затухания моды (время жизни фотона): τф=Q/ω. (2.12) Объемные резонаторы в оптическом диапазоне теряют свои резонансные свойства: при уменьшении λ и неизменных размерах резонатора спектр собственных частот сгущается, различные типы колебаний накладываются друг на друга и селективные свойства исчезают. Для разрежения спектра собственных частот в оптическом диапазоне вместо объемных резонаторов применяют открытые резонаторы, у которых отражающие стенки не замкнуты. Они называются оптическими резонаторами. (гиперссылка 2.2) Простейший оптический резонатор представляет собой два плоских зеркала, строго параллельных друг другу (рис. 2.10). Прямая ОО - оптическая ось резонатора. Электромагнитные волны, распространившиеся вдоль оптической оси, отражаются от зеркал и интерферируют между собой. Те из них, для которых выполняется условие резонанса q·λ/2=L, будут интерферировать на максимум, образуя стоячую волну. Рисунок 2.10. Интерферометр Фабри-Перо За счет многократного прохождения таких волн резко увеличивается эффективность их взаимодействия с рабочим веществом, помещаемым в резонатор. Волны, распространяющиеся под не слишком малым углом к оптической оси, после нескольких отражений выходят из резонатора. Этим достигается разрежение спектра собственных частот. Расстояние между ближайшими типами колебаний Δυ равно: (2.13) Несмотря на существенное разрежение спектра собственных частот, частотный интервал между соседними типами колебаний в оптическом резонаторе с L=(0,1÷2) м значительно меньше ширины спектральных линий (рис. 2.11). Рисунок 2.11 Т.е. в пределах спектральной линии активной лазерной среды укладывается много (от десятков до десятков тысяч) собственных типов колебаний резонатора. Такой резонатор называется многомодовым. При этом Q оптического резонатора много больше Q спектральной линии. Спектр собственных частот оптического диапазона в системе «активное вещество + резонатор» определяется собственными частотами резонатора, лежащими вблизи максимума спектральной линии (пунктир на рис. 2.11). В радиодиапазоне, наоборот, ширина спектральной линии мала, расстояние между собственными колебаниями велико, добротность спектральной линии существенно выше добротности резонатора. Это соответствует одномодовому резонатору. Спектр собственных частот определяться уже рабочим веществом. (гиперссылка 2.3) В резонаторе после нескольких сотен отражений первоначальной волны устанавливается стационарное состояние электромагнитного поля. Это поле и определяет собственные колебания резонатора, которые имеют пренебрежимо малые проекции векторов Е и Н на ось z. Такие колебания называются трансверсальными электромагнитными колебаниями и обозначаются ТЕМmnq. Величина q, (число полуволн на длине резонатора L) очень велика, и ее обычно опускают, а m и n малы. Колебания, распространяющиеся строго вдоль оптической оси обладают наивысшей добротностью и называются аксиальными. Для аксиальных колебаний m=n=0 и их обозначают ТЕМоо. Возможны ТЕМ10, ТЕМ20, ТЕМ01, ТЕМ02, ТЕМ11 – неаксиальные колебания. Они не выходят из резонатора из-за явлений дифракции на краях зеркал (рис. 2.12). Рисунок 2.12 Если угол θ мал, то коэффициент отражения близок единице, т. е. неаксиальные моды с малыми n и m так же, как и аксиальные моды, обладают высокой Q. С увеличением m и n Q падает. Складываясь, моды дают на выходном зеркале резонатора сложное распределение интенсивности излучения (рис.2.13). Рисунок 2.13 При увеличении m и n амплитуда поля на краях зеркала возрастает. Для вывода излучения наружу одно из зеркал делают полупрозрачным. Это определяет полезные потери резонатора – потери на излучение. При λ=1 мкм, L=1 м и коэффициенте отражения R=0,9 значение добротности резонатора порядка Q≈108, что много больше добротности в радиодиапазоне (Q≈103). В реальных резонаторах имеются дополнительные потери: 1) дифракционные потери - из-за дифракции на границах зеркала. Они минимальны для аксиальных колебаний (ТЕМ00-мода); 2) потери на несовершенство зеркал из-за поглощения в зеркалах и рассеяния на неровностях, отклонения геометрических размеров от заданных и т.д. Для уменьшения этих потерь обработка поверхности на уровне ~ 0,1λ; 3) потери на разъюстировку - образуются вследствие непараллельности зеркал. Она должна быть не более нескольких угловых секунд; 4) потери в активном веществе - из-за поглощения и рассеяния энергии на дефектах активной среды. Распределение поля внутри резонатора с плоскими зеркалами в разных сечениях практически одинаково. Это позволяет эффективно использовать весь объем рабочего вещества. Недостаток – трудность юстировки (параллельность зеркал должна быть выдержана с точностью до нескольких секунд). Этого недостатка лишены резонаторы со сферическими зеркалами. Конфокальный резонатор образован двумя одинаковыми сферическими зеркалами, оси и фокусные расстояния которых совпадают. Схема конфокального резонатора приведена на рис.2.14 а. Фокусы F1 и F2 обоих зеркал совпадают. Рисунок 2.14 Особенность конфокального резонатора: поверхности одинаковых фаз являются сферическими (рис.2.14 б). На поверхности зеркала при L/2 радиус пучка в раз больше, чем радиус перетяжки (в точке z=0). При этом поверхности зеркал являются поверхностями разности фаз. ТЕМ00 конфокального резонатора представляет собой распространяющуюся от центра сферическую волну, имеющую гауссово распределение интенсивности. Основная часть энергии пучка сосредоточена в телесном угле Θ =λ /L. Преимущество конфокального резонатора: поле более плотно сосредоточено у оси и спадает на краях быстрее, чем у плоского резонатора. Поэтому дифракционные потери малы и он не очень чувствителен к юстировке. Недостаток конфокального резонатора: трудно получить одномодовый режим и не полностью используется объем активного вещества. Имеются и другие типы резонаторов с использованием сферических и плоских зеркал (примеры на рис. 2.15). Рисунок 2.15 §2.5. Условия самовозбуждения и насыщения Условием усиления электромагнитных колебаний является наличие инверсной населенности. Для генерации необходимо, чтобы усиление за один проход в активном веществе превысило все потери, в том числе связанные с выводом излучения наружу, дифракционными и неактивными потерями в рабочем веществе и др. Это может быть обеспечено уровнем инверсии, при котором показатель усиления аω на данной частоте превысит суммарный показатель потерь βω: аω = - kω ≥ βω . Условие превышения над потерями имеет вид: . С учетом (2.2), (2.3), (2.11) получим условие самовозбуждения: (2.14) где g(ω) – контур спектральной линии (лоренцевый – при однородном уширении; гауссовый – при неоднородном уширении). Из (2.14) следует, что пороговая энергия (мощность) накачки уменьшается при увеличении добротности (т.е. потерь, в том числе и полезных). Поэтому оптимальной скорости накачки соответствует оптимальный коэффициент пропускания полупрозрачного зеркала. Кроме того, как следует из (2.14), для достижения требуемой пороговой инверсии населенности желательно иметь узкую спектральную линию g(ω). Наивысшей добротностью обладают моды резонатора около максимума спектральной линии g(ω0), т.е. лазер начинает генерировать на аксиальной моде. Энергия этой моды будет возрастать по экспоненциальному закону (2.3), пока ее не начнут ограничивать эффекты насыщения. Другими словами, после достижения условия самовозбуждения энергия накачки, подводимая к АВ, будет перекачиваться в генерируемую моду. При этом система «АВ+ резонатор» не только осуществляет перекачку энергии, но и выступает как пассивный фильтр, выделяя определенные моды вблизи резонансной частоты ω0. Таким образом, после достижения определенной степени инверсии вынужденное испускание преобладает над поглощением, осуществляя передачу энергии от активной среды в моды резонатора. При достижении порога генерация начинается на одной моде, обладающей наивысшей добротностью и расположенной ближе всех к максимуму спектральной линии. Это режим одномодовой генерации. При увеличении интенсивности накачки появляется генерация и на модах с меньшей добротностью, при этом лазер работает в режиме многомодовой генерации. Для получения одномодовой генерации при высоких мощностях накачки принимают специальные меры для селекции мод. При увеличении интенсивности накачки ρН выше пороговой между уровнями энергии Еn и Еm начинаются интенсивные вынужденные переходы, происходит перераспределение частиц. В предельном случае произойдет выравнивание населенностей уровней, т.е. насыщение (ограничение) показателя усиления. В результате этого процесса инверсия населенностей в лазере автоматически поддерживается на уровне ΔNПОР (пунктир на рис.2.8) и интенсивность лазерного излучения становится стационарной. §2.6. Режимы работы лазеров Если в процессе работы лазера параметры резонатора (потери и связанная с ними добротность) остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". В этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном. 2.6.2. Непрерывный режим В непрерывном режиме лазер генерирует при пороговой инверсии населенности. Выходное излучение имеет вид неупорядоченных пичков длительностью порядка единиц микросекунд. Часто интенсивность излучения между пичками также имеет ненулевую величину. Достоинством непрерывного режима является наиболее полная реализация таких свойств лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения. Однако при непрерывном режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. 2.6.3. Импульсный режим В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации. Накачка в этом режиме носит импульсный характер (длительность импульса накачки может варьироваться от десятков микросекунд до сотен миллисекунд). Лазер генерирует вблизи порога, а генерация представляет собой гребенку достаточно нерегулярных по амплитуде и частоте следования пиков, появляющихся в результате конкуренции роста инверсии за счет накачки и уменьшения ее за счет высвечивания фотонов. Характерная длительность пика в гребенке - единицы микросекунд, интервал между пичками - десятки микросекунд, количество пичков в гребенке - 10 - 1000. Этот режим в основном применяется в технологии толстолистовых материалов, сварке, резке с большими глубинами проплавления. Отдельно следует выделить режимы генерации повторяющихся импульсов: - импульсно-периодический (ИП), подразумевающий генерацию импульсов в режимах свободной генерации либо модуляции добротности с частотами повторения 5 – 100000 Гц; - квазинепрерывный режим. В этом режиме частота повторения достигает десятков ГГц. Характерным отличием от ИП режима является то, что средняя мощность квазинепрерывной генерации сопоставима с пиковой мощностью составляющих импульсов. Он используется в локации, связи, различных технологических процессах. 2.6.2.1. Режим модулированной добротности Для ряда применений важно сократить длительность импульса, т.к. при заданной энергии импульса пиковая мощность лазера возрастает с уменьшением его длительности. С этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптическую накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют, например, помещая внутри резонатора оптический затвор(гиперссылка 2.4). При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе. Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса (Гиперссылка 2.5). Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 107 - 108 Вт, рекордные - 1013-1015 Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 103 Вт, в режиме модулированной добротности мощность достигает 108 Вт, то есть возрастает на 5 порядков. В этом режиме применяются различные типы оптических затворов: механически вращающиеся зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса, управляемые электрическим сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получают импульсы длительностью от 10-7 до10-8 с. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения длительности импульса достигает нескольких порядков. Режим модуляции добротности нашёл множество применений: локация, лидары, научный эксперимент, лазерная технология тонколистовых материалов. 2.6.2.2.Метод синхронизации продольных мод Еще более короткие световые импульсы удается получить, используя метод синхронизации продольных мод. Как уже отмечалось, расстояние между продольными модами меньше ширины линии рабочего перехода в лазере, и возможна генерация лазера на нескольких продольных модах. В газах ширина линии составляет около 109 Гц, в твердотельных лазерах 1011-1012 Гц, в лазерах на красителях 1013-1014 Гц. В обычных условиях излучение разных мод не связано (не синхронизировано) друг с другом и отдельные моды выступают как независимые генераторы. С помощью введения в резонатор нелинейного элемента, каким является просветляющийся фильтр, можно синхронизировать моды лазера. Практически сфазировать все моды лазера довольно трудно. Чаще всего удаётся сфазировать лишь часть из них. При этом картина формирования сверхкоротких импульсов усложняется. Реальный процесс формирования сверхкоротких импульсов с помощью просветляющегося фильтра протекает примерно следующим образом: на начальной стадии развития генерации излучение представляет собой случайный процесс. Если просветляющая интенсивность соответствует горизонтальной прямой, то фильтр будет выключаться теми пучками, интенсивность которых больше просветляющей. После прохождения каждого из таких пучков фильтр снова начинает поглощать. Естественно, что генерация может развиваться таким образом лишь в случае достаточно малой инерционности фильтра. Иначе после каждого сильного пика фильтр пропустит ещё несколько последующих более слабых пиков. §2.7. Свойства лазерного излучения 2.7.1 Монохроматичность Монохроматичность - степень концентрации излучения по спектру. Обусловлена тем, что спонтанные переходы сфазированы. Количественно определяются как спектральная чистота – это отношение ΔωС /ω0. Ширина спектральной моды резонатора (без АВ) определяется его добротностью: ΔωС=ω0 /Q=1/τФ, (2.15) где τФ – время жизни фотона в резонаторе. В лазере при одномодовом режиме ширина спектральной линии будет существенно меньше (2.15). Теоретически предел ширины спектральной линии лазерного излучения определяется, в основном, шумами от спонтанного излучения, т.е. имеет лоренцеву форму с полушириной: , (2.16) где Р – выходная мощность лазерного излучения. Например, для гелий-неонового лазера (λ=0,63 мкм; Р=1 мВт; ω0/2π=4,76·1014 Гц; Q=108) Δω/2π≈0,2 Гц, что соответствует спектральной чистоте Δω/ω0≈5·10-16. При этом стабильность длины резонатора, определяемая соотношением ΔL /L= Δω /ω0 , при L = 1 м должна быть ΔL=5·10-16м= 5·10-7нм. Если учесть, что размеры атома порядка 0,1 нм, то стабилизировать длину резонатора на таком пределе практически невозможно. Реально Δω/ω0≈10-12-10-13, что соответствует Δω/2π≈50 Гц. 2.7.2. Поляризация Лазер может излучать и неполяризованный свет. Однако это часто вредит стабильности лазера (из-за конкуренции двух взаимно перпендикулярных составляющих). Поэтому принимают меры для получения поляризованного света. Для этого, например, внутрь резонатора вводят плоскопараллельную прозрачную пластинку под углом Брюстера к его оси (газовые лазеры). В твердотельных лазерах часто существует анизотропия оптических свойств АВ. Например, излучение рубинового лазера плоско поляризовано вследствие двулучепреломления и несовпадения оптической оси кристалла с осью резонатора. 2.7.3. Когерентность Когерентность – степень согласованности волновых процессов в пространстве и во времени. Пространственная когерентность – корреляция фаз электромагнитных волн, испущенных из двух разных точек в один момент времени. Проверяется с помощью интерференции (опыт Юнга) (рис.2.16). Рисунок 2.16 Временная когерентность - корреляция фаз электромагнитных волн, испущенных из одной точки в разные моменты времени. Проверяется с помощью интерферометра Майкельсона (рис.2.17). Рисунок 2.17 Последовательность источников оптического излучения в порядке уменьшения когерентности: газовые лазеры - жидкостные лазеры - твердотельные (на диэлектриках) лазеры - полупроводниковые лазеры –- (резкий скачок в сторону уменьшения) - газоразрядные лампы – светодиоды – лампы накаливания (некогерентные). 2.7.4. Направленность Направленность определяет расходимость светового луча в пространстве. Количественно характеризуется плоским или телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Лазерное излучение обладает большой степенью направленности. Она определяется свойствами резонатора. Расходимость аксиальной моды близка к предельно достижимой, которая ограничивается явлениями дифракции. При одинаковых условиях расходимость гауссова пучка (конфокальный резонатор) меньше расходимости плоского пучка. Чем выше когерентность волны, тем выше ее направленность 2.7.5. Яркость Яркость – мощность излучения, испускаемого с единичной поверхности в единичном телесном угле (конус, в котором распространяется излучение), [Вт/м·ср]. Высокая направленность лазерного излучения определяет и его высокую яркость. Для оценки эффективности воздействия света на глаз вводят понятие фотометрической яркости. Она может отличаться для разных людей, т.к. зависит от различных факторов. Наиболее сильно она зависит от длины волны. Для нормального дневного зрения приходится на длину волны λ=555 нм (зеленый свет) (рис. 2.18). Рисунок 2.18. Кривая видности для дневного зрения, определенная Международной комиссией по освещению Яркость излучения, генерируемого даже маломощным лазером, очень велика. Так для гелий-неонового лазера мощностью 1 мВт на λ=630 нм (красный свет) яркость ≈2,5·1010 Кд/м2. Яркость солнца за пределами земной атмосферы ≈2·109 Кд/м2. Кроме того, солнечное излучение имеет широкий спектр, а лазерное монохроматично, следовательно спектральная яркость лазера на 10 - 12 порядков выше солнечной. §2.8. Компоненты лазеров и вспомогательные устройства К специфическим лазерным компонентам относятся зеркала, поляризаторы, модуляторы добротности и др. Рассмотрим некоторые из этих устройств. 2.8.1. Зеркала В первых лазерах применялись тонкие металлические покрытия, в основном из серебра или алюминия. Однако они обладали большими потерями на рассеяние и сравнительно легко повреждались излучением. В настоящее время почти все используемые в лазерах зеркала имеют многослойные диэлектрические покрытия, нанесенные методом испарения на подложку в вакууме. Покрытия состоят из чередующихся слоев с оптической толщиной λ/4 (λ – длина волны, на которой требуется очень высокий коэффициент отражения). В покрытиях чередуются материалы с большим и малым показателем преломления. Обычно наносится нечетное число слоев, причем первым на подложку наносится материал с высоким показателем преломления (рис.2.19). Рисунок 2.19. Схема многослойного покрытия зеркала n1 и n2 – показатели преломления материалов; d1 и d2 – толщина слоев. Необходимое значение коэффициента отражения R может быть получено путем подбора материала с подходящим значением показателя преломления и определенным числом слоев. Потери на рассеяние могут быть очень небольшими (~ 0,1 %), а коэффициент отражения достигать 99,8 - 99,9 %. Зависимость коэффициента отражения от длины волны R(λ) для зеркал гелий-неонового лазера приведена на рис. 2.20. Рисунок 2.20 Для инфракрасных лазеров (особенно для СО2-лазера) применяются металлические зеркала. Они делаются массивными, поскольку должны выдерживать высокие уровни излучения. Их изготавливают из металлов с высокой теплопроводностью (медь, молибден). В некоторых случаях такие зеркала имеют внутренние каналы для жидкостного охлаждения. Все описанные зеркала могут быть изготовлены с определенными радиусами кривизны (см. §2.4). 2.8.2. Поляризаторы Как правило, излучение лазеров вследствие специфического характера вынужденного излучения полностью поляризовано (но не отраженное или рассеянное различными предметами излучение). Однако в некоторых лазерах необходимо применять поляризаторы. Кроме того их используют в качестве фильтров и анализаторов. Поляризатор – оптическое устройство, который преобразует естественный свет в поляризованный (линейно-, циркулярно- или эллиптически поляризованный). Обычно применяются линейные поляризаторы. К частичной (а иногда и полной) поляризации света приводит множество физических процессов. К ним относятся отражение света и преломление света, при которых поляризация света обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонентов светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения. Для этой цели могут быть использованы также такие оптические явления, как дихроизм, двулучепреломление, рассеяние. Дихроичные материалы хорошо пропускают свет, поляризованный в одном направлении, и сильно поглощают свет, поляризованный в перпендикулярном направлении. Если через поляризующую пластинку пропустить неполяризованый свет, то прошедший свет будет линейно поляризован с интенсивностью, равной половине интенсивности падающего луча. Таким свойством обладают некоторые анизотропные кристаллы, а также пленки органических полимеров (поляроиды) с молекулами в виде длинных параллельных цепочек (например, синтетический поливиниловый спирт, содержащий йод). Дихроичные поляризаторы применяют в видимом и ближнем ИК-диапазоне. Другой тип поляризаторов – призменные поляризаторы - использует эффект двойного лучепреломления в некоторых кристаллах. Такие поляроиды состоят из двух трехгранных призм, вырезанных из анизотропного кристалла с двойным лучепреломлением и разделенных небольшим промежутком. Промежуток может быть заполнен воздухом или специальным клеевым материалом. В анизотропном материале неполяризованный свет разбивается на две компоненты, поляризованные перпендикулярно. Они распространяются в кристалле с разными скоростями из-за различия в коэффициентах преломления. Показатель преломления для одного из двух лучей выбирается (с учетом конструкции призмы) таким образом, чтобы угол между этим лучом и нормалью к поверхности раздела превышал критический угол полного внутреннего отражения. Как только свет достигает воздушного или клеевого промежутка, одна из компонент поляризованного луча отражается. Другая компонента этого луча падает на поверхность раздела под углом, меньшим критического, и пропускается кристаллом без существенных потерь. Таким образом, происходит пространственное разделение лучей с перпендикулярными поляризациями. Типичный пример – николь (призма Николя), в которой призмы вырезаны из кристалла исландского шпата, склеенного канадским бальзамом. Рисунок 2.21. Призменный поляризатор о – обыкновенный луч; е – необыкновенный луч Аналогично устроены и другие призменные поляризаторы (Фуко, Гланна-Томпсона, Лазебрука, Франка - Риттера, Аренса). Такие поляризаторы обычно работают в видимом и ближнем ИК-диапазоне из-за ограничения их прозрачности. В среднем и дальнем ИК-диапазоне используют отражательные поляризаторы. Их принцип действия основан на различии в коэффициентах отражения для лучей, поляризованных в плоскости падения и перпендикулярных ей. Наиболее сильно это проявляется при угле падения Брюстера (рис. 2.22). Рисунок 2.22. Угол Брюстера На рис. 2.22 точками показана поляризация, перпендикулярная плоскости падения, а двойными стрелками – параллельная ей. Таким образом, отраженный луч становится линейно поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Преломленный луч поляризован частично в плоскости падения, однако пропуская свет через стопу пластин, расположенных под углом Брюстера, можно получить линейно поляризованный свет, поляризация которого совпадает с плоскостью падения. Преобразование одной формы поляризации (например, линейную) в другую (например, циркулярную) можно осуществить с помощью фазовых пластинок. Фазовые пластины сообщают двум лучам света определенную разность хода или, напротив, уменьшают (компенсируют) уже имеющуюся разность хода лучей. В анизотропных пластинах, изготовленных из кварца, слюды, турмалина и др, обеспечивается двойное лучепреломление, причем обыкновенный и необыкновенный лучи поляризуются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Скорости этих лучей в кристалле (а, следовательно, и оптические длины их путей) различны, поэтому, проходя через кристалл, лучи приобретают разность хода, определяемую его толщиной. Таким образом, фазовая пластинка расщепляет пучок монохроматического поляризованного света на компоненты, сдвигает фазу одной из них относительно другой и затем вновь соединяет эти компоненты в единый пучок. Наиболее распространены фазовые пластинки со сдвигом фаз 90о (четвертьволновые) и 180о (полуволновые). На выходе четверьволновой пластинки входной линейно поляризованный свет превращается в эллиптически поляризованный или, в частном случае, в циркулярно поляризованный. Полуволновая пластинка поворачивает плоскость поляризации входного линейно поляризованного света на 90о, либо преобразует свет с правосторонней круговой поляризацией в оптическое излучение с левосторонней круговой поляризацией (и наоборот). Важно подчеркнуть, что фазовые пластины должны иметь толщину, строго соответствующую заданной длине волны, на которую они рассчитаны. Контрольные вопросы к главе 2 1. Какое состояние называется состоянием с инверсией населенности? 2. Какое условие является необходимым для усиления света при его прохождении через среду? 3. Какое излучение называется лазерным, а какое мазерным? 4. Привести график изменения интенсивности света при прохождении через различные среды. 5. Какое условие соответствует состоянию просветления среды? 6. Может ли среда, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, усиливать свет? 7. Какие уровни энергии называются рабочими лазерными уровнями? 8. Какое состояние называется "состоянием с отрицательной температурой" и почему? 9. Какова структурная схема квантового генератора и общие принципы его работы? 10. Почему лазерное (мазерное) излучение является в большой степени когерентным, направленным, монохроматичным? 11. Для чего необходима накачка? Какие способы накачки Вы знаете и в каких типах квантовых приборов они применяются? 12. Что собой представляют уравнения баланса? Какой принцип используется для из составления? 13. Каковы особенности двухуровневой схемы работы квантовых усилителей и генераторов? 14. Можно ли в двухуровневой схеме достичь инверсии населенности, используя оптическую накачку? 15. В каких квантовых приборах используется двухуровневой схемы работы квантовых приборов? 16. Приведите энергетические диаграммы двух типов трехуровневых схем. В чем их сходство и отличие? 17. Что означает утверждение, что "в трехуровневой схеме канал накачки и канал усиления частично разделены"? 18. Приведите график изменения населенностей каждого из трех уровней трехуровневой схемы при изменении интенсивности накачки в присутствии и отсутствии резонатора. 19. Покажите на графике пороговую плотность накачки по инверсии и генерации. 20. Приведите энергетические диаграммы четырехуровневой схемы. 21. Что означает утверждение, что "в четырехуровневой схеме канал накачки и канал усиления полностью разделены"? 22. Приведите график изменения населенностей каждого из четырех уровней четырехуровневой схемы при изменении интенсивности накачки. Почему пороговый уровень накачки в этой схеме близок к нулю? 23. Каковы общие требования для обеспечения эффективности лазерных схем? 24. Какие функции выполняет резонатор? 25. Какие частоты называются резонансными или собственными частотами резонатора? 26. Какого вида волны устанавливаются в резонаторе и почему? 27. Каково условие возникновения стоячей волны? 28. Что показывает добротность резонатора и как она определяется? 29. Почему для лазеров и для мазеров применяются различные виды резонаторов? 30. Что представляет собой интерферометр Фабри-Перо? 31. За счет чего происходит разрежение спектра собственных частот в оптическом резонаторе? 32. Какие частоты определяют спектр собственных частот системы "активное вещество + резонатор" в лазерах и в мазерах? 33. Какие колебания называются трансверсальными электромагнитными колебаниями? 34. Почему в лазере возможны колебания, отличающиеся от аксиальных? 35. Чем отличается распределение интенсивности выходного излучения при наличии неаксиальных колебаний? 36. Какого вида потери, кроме полезных, существуют в резонаторах? 37. Какие резонаторы называются конфокальными? 38. В чем достоинства и недостатки плоского резонатора в сравнении с конфокальным? 39. Каковы общие требования к самовозбуждению генератора? 40. Какие факторы влияют на достижение порога самовозбуждению квантового генератора? 41. Вследствие чего происходит насыщение (ограничение) показателя усиления в квантовом генераторе? 42. Почему система "активное вещество + резонатор" является пассивным фильтром? Для каких мод происходит эта фильтрация? 43. По какому закону происходит возрастание энергии в генерируемой моде? 44. Каковы основные свойства лазерного излучения? 45. За счет чего обеспечивается монохроматичность излучения? 46. Всегда ли лазерное излучение является поляризованным? Для чего желательно иметь поляризованное излучение и какими мерами оно может быть достигнуто? 47. Каким образом подтверждается пространственная и временная когерентность излучения лазера? 48. Как определяется направленность лазерного излучения? 49. Как определяется направленность лазерного излучения? 50. Как соотносится яркость гелий-неонового лазера с яркостью солнечного излучения? ГЛАВА 3. КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ § 3.1. Приборы СВЧ диапазона Мазеры (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation усиление микроволн с помощью индуцированного излучения) – квантовые усилители и генераторы СВЧ диапазона (λ>1мм). Это первые приборы квантовой электроники. Достоинства (по сравнению с классическими аналогами): 1) низкий уровень собственных шумов, поэтому мазеры используются в качестве первых разрядов СВЧ приемников (квантовые парамагнитные усилители); 2) высокая стабильность частоты (используются как стандарт частоты – пучковые мазеры). 3.1.1. Пучковые мазеры 3.1.1.1. Молекулярный мазер на пучке молекул аммиака Геометрия молекулы аммиака NH3 приведена на рис 3.1 а. Она имеет вид правильной пирамиды: атомы водорода Н образуют ее основание в виде равностороннего треугольника, атом азота N находится в вершине пирамиды. а) Геометрия молекулы NH3 б) Потенциальная кривая Рисунок 3.1 Если выбрать некоторое направление Z, то атом N может находиться как в состоянии +z (наверху пирамиды), так и –z, переходя через точку неустойчивого равновесия z=0. Обе конфигурации эквивалентны – имеют одинаковые колебательные и вращательные уровни энергии. На рисунке 3.1 б приведены потенциальная кривая U(z) молекулы NН3, в которой отражена суперпозиция двух потенциальных ям, соответствующих положениям +z и –z в одной квантовой системе. Наличие двух близко расположенных минимумов на U(z) приводит к инверсному расщеплению колебательных уровней qi на два. Симметрия волновых функций для этих уровней различна: верхние подуровни Еа образуют антисимметричные состояния Ψa(z)=-Ψa(-z), а нижние подуровни - симметричные состояния Ψs(z)=Ψs(-z). Между этими состояниями разрешены переходы (как между состояниями с различной симметрией). Расстояния между подуровнями малы, для низшего (q=0) Δv=1/см (λ=1,25 см). При возрастании q разрыв (Δv) увеличивается. При комнатной температуре из-за малого расщепления Δv половина молекул аммиака в симметричном состоянии, половина – в антисимметричном. С помощью неоднородного электрического поля можно осуществить разделение (сортировку) молекул, находящихся в симметричном (s) и антисимметричном (a) состояниях. Под действием внешнего электрического поля происходит смещение уровней (т.к. действие поля зависит от энергии молекул) – это эффект Штарка. Величина смещения и его знак различны для разных уровней (рис.3.2). Рисунок 3.2 Рисунок 3.3. Квадрупольный конденсатор Молекулы NH3 двигаются в неоднородном электрическом поле, в направлении соответствующем уменьшению их энергии в поле. Для молекул с энергией Еs это направление с увеличением напряженности электрического поля ε, а для Еа – наоборот. Сортирующим устройством молекул в мазере служит квадрупольный конденсатор (сортировщик): в его центре (ось ОО) напряженность электрического поля ε=0, при удалении от ОО ε увеличивается. Таким образом, квадрупольный конденсатор удаляет из пучка частицы с малой энергией Еs, оставляет молекулы с высокой энергией Еа, которые проходя через объемный резонатор, возбуждают в нем колебания с частотой , за счет вынужденных переходов в состоянии с энергией Еs. Структурная схема мазера на пучке аммиака приведена на рис 3.4. Рисунок 3.4 От источника NH3 1 через систему диафрагм 2 формируется молекулярный пучок 3 с малой угловой расходимостью. Он пропускается вдоль оси квадрупольного конденсатора 4. Молекулы NH3 с энергией Еs вытесняются полем, а молекулы с Еа попадают в резонатор 5, настроенный на частоту ω0. Таким образом, в резонаторе реализуются состояние с инверсной населенностью. Отсортированный пучок молекул взаимодействуют с электромагнитным полем резонатора и за счет вынужденных переходов поддерживает электромагнитные колебания, когерентные с полем резонатора. Отбор мощности производится петлей связи 6, а отработанные молекулы выводятся из системы. Частота генерации ΔЕ=Е0а - Е0s и равна 23870 МГц. Поскольку добротность спектральной линии много больше добротности резонатора, то рабочая частота определяется свойствами молекулы аммиака и служит эталоном частоты: стабильность частоты 10-8 – 10-10. Выходная мощность очень мала 10-9 Вт, т.к. пучок должен быть очень малой плотности – молекулярный пучок (чтобы не было столкновения частиц), поэтому работа мазера осуществляется при низком давлении порядка 10-4 Па. Минимальный путь, который проходит пучок не разрушаясь, определяется размерами квадрупольного конденсатора и резонатора (порядка 20÷30 см). 3.1.1.2 Мазер на пучке атомов водорода Принцип действия водородного мазера (гиперссылка 3.1)такой же, как в аммиачном мазере. Отличия: в водородном мазере используется магнитный дипольный переход между уровнями сверхтонкой структуры атома водорода. Она появляется при взаимодействии магнитного момента ядра атома с внутриатомным магнитным моментом, вызванным орбитальным движением электрона. Дело в том, что основное, самое «глубокое» квантовое состояние атома водорода состоит из двух очень близких уровней. Эти уровни различаются ориентациями магнитных моментов ядра атома водорода (протона) и вращающегося вокруг него электрона. Если моменты ориентированы параллельно, получается один уровень, если антипараллельно – другой. Энергия одного из них больше другой (на величину, равную удвоенному значению энергии взаимодействия магнитных моментов электрона и протона). В результате такого взаимодействия основное состояние расщепляется на два подуровня с расстояниями по частоте 1420,4 МГц (λ=21см). Переходы между этими подуровнями определяются изменениями магнитного дипольного момента, а не электрического, как в аммиачном мазере. Вероятность перехода и ширина спектральной линии в 104 раза меньше, чем у аммиачного, следовательно, выше стабильность частоты. Структурная схема работы водородного мазера аналогична приведенной на рис. 3.4, только под цифрой 1 – источник молекул водорода. Выходная мощность еще меньше, чем у аммиачного мазера и составляет Рвых=10-11 Вт, но зато стабильность частоты выше и составляет 10-12. Водородные мазеры используются в качестве эталонов частоты, на них, в частности, созданы эталоны времени. 3.1.2. Квантовые парамагнитные усилители (КПУ) Энергетические уровни парамагнитных ионов в диэлектриках расщепляются под действием внешнего или внутреннего полей. Вынужденное излучение, вызванное электрическими переходами между этими уровнями, вызывает усиление слабых СВЧ сигналов. Квантовый переход осуществляется между зеемановскими подуровнями парамагнитных ионов кристалла. Под действием внешнего поля происходит квантование магнитного момента атома, в результате чего каждый из уровней расщепляется на подуровни с различными значениями проекций МJ (полный момент количества движения) на направление поля. Переходы между подуровнями одного уровня с ΔJ=0 и ΔМj=±1 лежат в СВЧ диапазоне и определяют сущность электронного парамагнитного резонанса. Если в кристаллы типа NaCl или Al2O3, которые являются диамагнетиками, ввести ионы с незаполненными внутренними оболочками V3+, Cr3+, Co2+, Mn2+, Fe3+ или редкоземельные элементы, то появляются нескомпенсированные магнитные моменты - кристаллы становятся парамагнетиками. Они используются в качестве активных элементов КПУ. Рабочие переходы происходят между зеемановскими подуровнями парамагнитного иона - активатора. Активные ионы находятся под действием сильного внутрикристаллического поля, которое влияет на энергетический спектр и на процессы обмена энергией. Накачка обеспечивается вспомогательным СВЧ излучением. Она создает инверсную населенность между рабочими уровнями КПУ, работа осуществляется по трехуровневой схеме. Рассмотрим рубин в качестве примера активного диэлектрика КПУ. Это кристалл Al2O3, в котором часть атомов Al замещена ионами Cr3+. (гиперссылка 3.2) Чистый Al2O3 называется альфакорундом (бесцветный, обладает кубической симметрией). Без легирующих примесей – диамагнетик. Легированием Cr3+ изменяют параметры решетки: ион Cr3+ замещает Al и оказывается не в центре, а несколько смещенным. Вследствие этого появляются структурные искажения, возрастающие с повышением концентрации Cr3+, что приводит к понижению симметрии кристалла. Обычно используют бледно розовый рубин с содержанием Cr≈ 0,05% (1,6·1019 ионов Cr3+ см-3). Рубин (в отличие от α-корунда) анизотропен. Основное состояние иона Cr3+ в рубине – 4А2. Под действием магнитного поля оно расщепляется на четыре зеемановских подуровня, т.к. на него еще действует и сильное поле кристалла (рис. 3.5). Вследствие анизотропии кристаллического поля расстояние между магнитными подуровнями иона Cr3+ в рубине существенно зависит не только от напряженности магнитного поля Н, но и от его ориентации относительно оптической оси кристалла. Наиболее часто используют угол Θ=900 и угол Θ=54,440 к тригональной оси кристалла. В последнем случае энергетические уровни смещаются симметрично под действием магнитного поля (рис.3.6). Рисунок 3.5 Рисунок 3.6 Инверсия населенности может быть достигнута между различными подуровнями состояния 4А2. В слабых полях (200-700 Гс) для усиления используется переход 4→3, а вспомогательное излучение накачки осуществляет переход 2→4. В этом режиме происходит усиление при λ=10 - 30 см, λнак=2,25 - 2,5 см. Перестройка диапазона производится магнитным полем. В сантиметровом диапазоне λ = 3 - 10 см, инверсия между уровнями 2→1, накачка с 1→ 3. Этот режим характеризуется большими магнитными полями. Для λ<5 см можно создать инверсию населенности между 3→2. Магнитное поле под углом Θ=54,440, при этом расстояния 4→2 и 3→1 одинаковы, поэтому накачка производится на двух режимах 1→3 и 2→4 , что приводит к увеличению населенности уровня 3 и уменьшению населенности уровня 2. Работа КПУ происходит при Т=4,2 К при нормальном давлении, а при Т=(1,5 - 1,8) К, при откачке паров гелия до p=5∙102 – 3∙103 Па. Такая низкая температура нужна, чтобы препятствовать термическому заселению рабочих уровней. Диапазон работы КПУ может осуществляться в диапазоне длин волн от 3 мм до 1м. КПУ применяются как низкошумящие усилители, например как первые каскады усилителей в сверхдальних линиях связи, радиолокаторах, радиоастрономии. § 3.2. Лазеры В зависимости от типа используемого активного вещества лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые. 3.2.1 Газовые лазеры Активное вещество газовых лазеров находится в газообразном состоянии. Это могут быть как обычные газы, так и пары различных веществ. В неконденсированной среде взаимодействие между активными частицами значительно слабее, чем в жидкостях и твердых телах. Это обуславливает малое уширение спектральных линий и, как следствие, узкие спектральные линии излучения газов. В качестве рабочих могут быть использованы разнообразные переходы между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии нейтральных или ионизированных атомов и молекул, поэтому различные типы газовых лазеров перекрывают очень широкий спектральный диапазон (от УФ до ИК). Газовые лазеры работают как в непрерывном, так и импульсном режиме, обладают высокой степенью монохроматичности и когерентности, узкой диаграммой направленности (угол расхождения луча около 1), наибольшим КПД (до 30%), имеют большой диапазон по мощности (до сотен кВт). В настоящее время существует более 1000 видов газовых лазеров. По методам накачки газовые лазеры делят на: газоразрядные, газодинамические и химические. Наиболее широкое применение получили газоразрядные лазеры. Газовый разряд создается в самой активной среде, используют различные виды газовых разрядов (рис 3.7). Рисунок 3.7 К основным механизмам достижения инверсии в газах относятся упругие и неупругие столкновения. Для изучения схемы газового лазера рассмотрим двух компонентную смесь из частиц А и В, энергетические уровни которых приведены на рис. 3.9. Рисунок 3.9 Инверсия населенности создается между рабочими уровнями 2→1 по четырех уровневой схеме, газ А – вспомогательный и служит для селективной передачи возбуждения на уровень Е3 рабочего газа. Для этого необходимо чтобы : 1) энергии возбужденных состояний Е1А и Е3В совпадали; 2) состояние Е1А должно быть низшим возбужденным состоянием атома А, и между Е0А и Е1А отсутствовали разрешенные состояния; 3) время жизни атома А в возбужденном состоянии должно быть достаточно большим; 4) система уровней рабочего газа В должна удовлетворять четырех уровневой схеме (если используется четырехуровневая схема): а) уровень Е2В быстро заполняется за счет процессов Е3В→Е2В; б) уровень Е1В быстро опустошается за счет процессов Е1В→Е0В; в) вероятности переходов 3→0, 3→1, 2→0, 0→1, 2→3 малы. Общая схема газоразрядного лазера приведена ни рис. 3.10. Рисунок 3.10 Активный элемент представляет собой трубку 1, заполненную смесью газов. В нее впаяны анод 2 и катод 3. От источника питания ИП зажигается электрический разряд. Трубка помещена в оптический резонатор 4, образованный двумя зеркалами. Для исключения потерь за счет френелевского отражения, выходные окна 5, на торцах трубки, расположены под углом Брюстера. Излучение лазера, внутри резонатора которого расположены окна Брюстера, будет плоскополяризованным. 3.2.1.1 Гелий-неоновый лазер В качестве примера газоразрядных лазеров на нейтральных атомах рассмотрим гелий-неоновый лазер. Схема его работы представлена на рис. 3.11 и в общих чертах соответствует рис.3.9. Рисунок 3.11 Рабочий газ – неон, вспомогательный – гелий. Первые возбужденные состояния атома гелия 23S1 и 21S0 расположены выше основного состояния 1S0 на расстоянии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы в основное состояние запрещены, поэтому они являются метастабильными состояниями, хорошо накапливая энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом. Система уровней атома Ne сложнее. Основное состояние 1S0 отвечает электронной оболочке 1s22s22p6. Нижним возбужденным состояниям соответствует переход одного электрона 2р в состояние 3s, т.е. электронная конфигурация 1s22s22p53s1 (общее обозначение 1S на рис. 3.11). Этой конфигурации отвечают четыре разрешенных уровня (2-5 по мере убывания энергии). Аналогичные системы уровней для электронных конфигураций 1s22s22p54s1 и 1s22s22p55s1 (2S и 3S ). Кроме них имеются уровни, отвечающие переходу одного электрона в 3р-, 4р- состояния. Каждой электронной конфигурации 2p53р1 и 2p54р1 соответствует группа уровней 2Р и 3Р, каждая состоящая из 10 подуровней. Оптические переходы между s- и р- состояниями разрешены. При этом время жизни 2S и 3S состояний (1 мкс) на порядок выше, чем в 2Р и 3Р. Это позволяет получить инверсную населенность между уровнями 2S2Р, 3S3Р и 3S2Р при электрическом разряде в чистом неоне. Добавление к неону большого количества гелия обеспечивает селективное заселение верхних рабочих уровней 2S и 3S, увеличивает инверсию и существенно облегчает получение генерации. Работа осуществляется по трехуровневой схеме. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов: а (=3,39 мкм), б (=0,63 мкм), в (=1,15 мкм) (см. рис. 3.11). Для выбора перехода применяют селективные зеркала с большим коэффициентом отражения в заданной области. Опустошение нижних уровней неоптимально. Переход в основное состояние, как правило, происходит при столкновении атома со стенками сосуда, поэтому диаметр газоразрядной трубки не превышает 10 мм. Из всех газовых лазеров гелий-неоновый наиболее прост. Его конструкция соответствует рис. 3.10. Мощность лазера невелика: единицы – десятки мВт для =0,63 и 1,15 мкм и сотни мВт для = 3,39 мкм. КПД низкий (0,1…0,01 %) из-за того, что рабочие уровни высоко (20 эВ). Но он прост и обладает узкой диаграммой направленности. Применение: Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов. 3.2.1.2. Газоразрядные СО2-лазеры. Лазеры на углекислом газе явля­ются наиболее важными газовыми лазерами. Они относятся к молекулярным газовым лазерам. Энергетический спектр молекул богаче, чем атомов и ионов, и может быть представлен электронной, вращательной и колебательной частями. СО2-лазеры обладают очень высоким КПД и способны генерировать исключительно большие мощности как в непрерыв­ном, так и в импульсном режиме. Молекула СО2 представляет собой линейную симметричную молекулу. В ней возможны три типа колебательных движений (рис. 3.12), которым соответствуют три моды. Рисунок 3.12 В первой моде, называемой симметричной валентной v1, (рис. 3.12 а) атом углерода С неподвижен, а атомы кислорода О перемещаются в противоположных направлениях вдоль линии симметрии. В второй моде, называемой деформационной v2 (рис 3.12 б), атом С перемещается в одном направлении, а атомы О в противоположном. Деформационная мода дважды вырождена: колебания могут происходить как в плоскости рисунка, так и перпендикулярно этой плоскости. В третьей моде, называемой антисимметричной валентной v3 (рис 3.12 в), атомы О движутся в одном направлении, а атом С – в противоположном, при этом движение происходит вдоль линии симметрии. Движение атомов является обычным гармоническим движением, и колебания всех атомов находится в фазе. Коле­бательное состояние молекулы описыва­ется тремя квантовыми числами q1, q2 и q3, которые определяют число квантов с собственными частотами v1, v2 и v3 в каждой колебательной моде. Соответствующий колебательный уровень обозначается этими тремя квантовыми числами в последовательности . Верхний индекс l для квантового числа деформационного колебания возникает из-за вырождения: колебания могут происходить в одном из двух перпендикулярных направлений. Например, состояние 0110 соответствует колебанию, деформационная мода которого имеет один колебательный квант, а в состоянии 02°0 два вырожденных колебания ком­бинируются таким образом, что угловой момент равен нулю. Энергетическая диаграмма низших колебательных уровней основного электронного состояния молекулы СО2 и схема работы СО2-лазера приведена на рис. 3.13. Рисунок 3.13 Генерация осуществляется на переходах между уровнями 00°1 и 10°0 (=10,6 мкм). Возможно получение генерации с использованием переходов 0001 — 02°0 (=9,6 мкм). Верхний рабочий лазерный уровень 00°1 молекулы СО2 почти точно (Е=2,2 мэВ) совпадает с энергией первого колебатель­ного состояния q=1 молекулы N2. Это состояние является метастабильным. В то же время процесс воз­буждения молекулы N2 из основного состояния q = 0 в состояние q=1 очень эффективен. Эффективен также процесс резонансной передачи энергии от молекулы N2 к молекуле СО2. Схема работы газоразряд­ного СО2-лазера соответствует общей схеме газовых лазеров, а молекулы СО2 и N2 наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъяв­ляемым к рабочему и вспомогательному газу. Эффективность СО2-лазера на три порядка превыша­ет эффективность гелий-неонового лазера. Это в основном определяется двумя причинами. Во-первых, схема энергетических уровней оптималь­на, и на генерацию фотона с энергией 0,1 эВ надо затратить энергию всего в два раза больше (а не в 20...40 раз, как в He-Ne-лазере). Во-вторых, в СО2-лазере происходит исключите­льно эффективные как заселение верхнего рабочего 00°1, так и опустошение нижнего 10°0 лазерных уровней. Оказалось, что первый возбужденный уровень деформационной моды (0110) эффективно релаксирует при столкновениях с атомами гелия. Поэтому добавление гелия существенно увели­чивает эффективность опустошения нижних лазерных уровней, уменьшая их время жизни до ~20 мкс. Кроме того, гелий обладает высокой теплопроводностью, что способствует охлаждению СО2 за счет отвода тепла к стенкам газоразрядной трубки. Определенную роль в опустошении нижних лазерных уровней играют также процессы релаксации по вращательным подуровням молекулы СО2 (на рис. 3.13 они не показаны), расстояние между которыми гораздо меньше кТ. Таким образом, молекулярный СО2-лазер — это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия. СО2 является рабочим газом, N2 способствует эффективному заселению верхнего лазер­ного уровня, а Не — обеднению нижнего. Оптимальное соот­ношение давлений СО2 : N2 : Не колеблется от 1:1:8 для лазеров низкого давления (РНе≈2000 Па) до 1:1:1,5 для лазеров высоко­го давления (Р> 1 атм). Лазер может генерировать на переходе 00°1  10о0 (=10,6 мкм) или на переходе 00°102°0 ( = 9,6 мкм). Первый из них обладает большим коэффициентом усиле­ния, и поскольку оба перехода имеют один и тот же верхний уровень, то генерация обычно возникает в области 10,6 мкм. Для получения генерации в области 9,6 мкм необходимо внутри резо­натора осуществлять частотную селекцию, используя, например, селективный резонатор. Рисунок 3.14 Конструкции СО2-лазера могут быть различны. (гиперссылка 3.4) В качестве примера на рис. 3.14 показано устройство СО2-лазера с продольной прокачкой газа. Основной целью прокачки газовой смеси, состоящей из СО2, N2 и Не в соотношении примерно 1:1:8, является удаление продуктов диссоциации, особенно молекул СО, которые ухудшают работу лазера. СО2-лазеры имеют высокий КПД порядка 20 – 30 %. (больший КПД имеет только полупроводниковый лазер на арсениде галлия). Мощность, получаемая с единицы длины разряда в этих лазерах, достигает 50... 100 Вт/м при диаметре трубки около 1,5 см. Применение: обработка материалов (резка, сварка), хирургия. 3.2.2. Твердотельные и жидкостные лазеры Активным элементом твердотельных и жидкостных лазеров является диэлектрик, находящийся в конденсированной фазе. Поэтому можно создать концентрации активных веществ и, тем самым, плотности инверсии и энергосъема, чем в газах. Накачка только оптическая. В твердотельных лазерах активный элемент выполнен из кристаллического или аморфного диэлектрика. Они надежны, просты и удобны в эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать высокие импульсные мощности (вплоть до 1012Вт) и очень короткие импульсы (до 10-12 с), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт. Активные материалы должны позволять трех- или четырехуровневую схему работы и обладать: а) интенсивной флуоресценцией с квантовым выходом в рабочем переходе, близким к единице; б) широкими полосами активного поглощения излучения источника накачки. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют твердые растворы элементов с недостроенными внутренними электронными оболочками в различных кристаллических и аморфных матрицах. Обычно это ионы группы железа с недостроенной 3d-оболочкой или редкоземельные элементы с недостроенной 4f-оболочкой. Эти ионы называются активаторами. Все рабочие переходы осуществляются между уровнями энергии активных ионов. На эти ионы действует различное по силе воздействия в зависимости от природы кристаллическое поле, чем обеспечивается положение и уширение рабочих энергетических уровней. В настоящее время генерация получена более, чем а 300 кристаллах и нескольких десятках типов стекол. 3.2.2.1. Рубиновый лазер Рубиновый лазер (гиперссылка 3.5) был первым квантовым генератором оптического диапазона. Его активный элемент был изготовлен из кристалла розового рубина (А12О3: Сг3+) с содержанием хрома около 0,05% (см. КПУ). Диаграмма энергетических уровней иона хрома в рубине представлена на рис. 3.15. Рисунок 3.15 Рисунок 3.16 Для ионов Сг3+ нижний уровень 4А2 расщеплен кристаллическим полем решетки на два двукратно вырожденных подуровня с расстоянием между ними 0,38 см-1 (см. рис. 2.7.б - трехуровневая схема б). Излучение накачки поглощается рубином в двух широких полосах зеленой и синей части спектра и переводит электроны в ионах Cr+3 из основного состояния 4А2 в состояния 4F1 и 4F2. Эти полосы сравнительно хорошо вписываются в спектр излучения ксеноновой лампы-накачки. Ниже полосы 4F2 в запрещенной зоне расположены уровни 2Е, включающие два подуровня: Е и 2А. Эти уровни являются метастабильными с временем жизни 2,7 мс при комнатной температуре, что позволяет создать инверсию населенности. Электронные переходы с этих уровней в основное состояние определяют люминесценцию рубина (для перехода Rt = 694,3 нм, для R2 — = 692,9 нм – красная область спектра). Работа рубинового лазера осуществляется по трехуровневой схеме. Квантовый выход люминесценции рубина при комнатной температуре составляет 65...70%, а при низких температурах он близок к 100%. Схема устройства приведена на рис.3.16. Основной его недостаток — большие пороговые энергии накачки, что обусловлено трехуровневой схемой работы и низким КПД. Применение: голография, пробивка очень точных отверстий, сварка п/п приборов на GaAs с тугоплавкими металлическими проводниками, косметология. 3.2.2.2. Твердотельные лазеры с ионом неодима Генерация с ионом неодима осуществляется во многих веществах, но наиболее часто используются кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 (ИАГ) и стекла. (Гиперссылка 3.6). Схема уровней энергии иона неодима Nd3+ приведена на рис. 3.17. Рисунок 3.17 Ион Nd3+ обладает набором энергетических уровней, удовлетворяющих четырехуровневой схеме работы лазера. Релаксационные процессы с уровней накачки Е3 на верхний лазерный уровень Е2 и с нижнего лазерного уровня Е1 на основной Е0 осуществляются быстро и эффективно. Основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм, что удобно для накачки полупроводниковыми лазерами и светодиодами на основе арсенида галлия. Лазерные переходы осуществляются на уровни 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, и 4I9/2, но наиболее сильным является переход на уровень 4I11/2 (Е1), на котором и осуществляется генерация в области 1,06 мкм. Этот уровень располагается на 0,25 эВ выше основного уровня Е0, что существенно больше kТ и обеспечивает четырехуровневую схему. Поскольку верхний лазерный уровень Е2 имеет два подуровня, а нижний уровень Е1 – шесть подуровней, то полоса люминесценции имеет сложную структуру (рис.3.18). Как видно из рисунка, наиболее сильная линия при λ=1,065мкм является однородно уширенной с шириной Δυ=195 ГГц при комнатной температуре. Рисунок 3.18 Кристалл ИАГ является твердым изотропным материалом высокого оптического качества. Его можно отполировать с хорошей оптической доводкой, поэтому его достаточно легко использовать в качестве рабочего вещества. Лазеры на ИАГ работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Средняя мощность в непрерывном режиме достигает нескольких сотен ватт. Это возможно из-за низких пороговых энергий накачки, высокой теплопроводности ИАГ и малым оптическим потерям. КПД составляет 4 %. Наряду с кристаллическими матрицами используют также стекла с ионами Nd3+. Хотя теплопроводность стекла ниже, чем у кристаллов, но оно может быть изготовлено различных размеров (от волокон до стержней длиной 2 м), имея при этом высокую оптическую однородность. Другой особенностью стекол является более широкая линия излучения ионов в стекле. Это, с одной стороны, повышает порог генерирования лазеров (2.14) , но с другой стороны, приводит к большему поглощению энергии накачки и способствует созданию большего запаса энергии. Благодаря широкой линии излучения можно производить перестройку мод в большей спектральной области, чем у ИАГ. Кроме того, из стекла можно создавать гораздо большие по размеру изделия, чем из кристалла, что позволяет создавать лазерные системы больших размеров. Обычно области применения неодимовых лазеров на гранате и стекле существенно различны. В силу большей теплопроводности и однородности (в кристаллах ИАГ однородное уширение составляет примерно 0,7 нм) гранатовые лазеры легко работают в непрерывном и импульсно-периодическом режимах. Достигнуты средней мощности ~102 Вт. Неодимовое стекло в силу больших объёмов и более высокой концентрации активатора хорошо накапливает энергию. В стёклах из-за неоднородности локальных электростатических полей линия люминесценции 1,06 мкм сильно уширена (до 30 нм; неоднородное уширение). Это приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры - более богатую модовую структуру, чем ИАГ. Вместе с тем стекло допускает большее (до 6%) введение активных центров (в литий-лантан-фосфатных стёклах допустимо почти полное замещение лития неодимом, приводящее к концентрации ионов Nd3+, превышающей (2-3)•1021 см-3). Поэтому именно стекло служит активной средой импульсных лазеров высокой энергии. Достигнуты значения импульсной энергии в десятки кДж. Области применения неодимовых лазеров: технология, медицина, метеорология, дальнометрия, лазерный термоядерный синтез, физические исследования. 3.2.2.3. Жидкостные лазеры Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, однако с точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальных свойств. Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла. С этими конкретными трудностями не приходится иметь дело при работе с газовыми лазерами, но зато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активного вещества из-за низкой концентрации атомов в газе. Преимущества жидкостных лазеров заключаются в том, что они имеют значительно более высокую концентрацию активных атомов, которую легко можно изменять; кроме того, активная среда является дешевой и относительно мало подверженной повреждениям. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации Для создания жидкостных лазеров оказалось, что подобрать жидкость в качестве рабочего вещества очень сложно. Реализовать лазерную генерацию удалось лишь в немногих из них. Наибольший интерес и наибольшее значение представляют жидкостные лазеры на растворах органических красителях. (Гиперссылка 3.7). Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей допускают плавную перестройку частоты (длины волны). Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. Различные по конструкции, источникам накачки и типу активных веществ лазеры на органических красителях могут работать в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия одного импульса может достигать сотен Дж, а мощность непрерывной генерации — десятков Вт при КПД в несколько десятков процентов при лазерной накачке. В качестве примера рассмотрим работу жидкостного лазера на красителе родамине 6G. Его макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии электронных, колебательных и вращательных состояний. Они перекрываются друг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос. Схема уровней органического красителя условно изображена на рис. 3.17 Рисунок 3.17 Рисунок 3.18 При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии S0, распределяясь по колебательно-вращательным подуровням в пределах kТ. В результате поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния So на один из колебательно-вращательных уровней состояния S1. Спектр поглощения, определяемый такими переходами, будет представлять собой широкую бесструктурную полосу (кривая 1 на рис. 3.18). Попадая в результате оптического перехода S0-S1 (оптическая накачка) в одно из возбужденных состояний полосы Sl молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по колебательно-вращательным подуровням внутри состояния S1 переходит на нижние уровни группы S1. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс. Термализованные носители из состояния S1 излучательно переходят в основное состояние So.. Эти переходы определяют люминесценцию (флуоресценцию) красителя. Ее спектр представляет собой широкую полосу люминесценции (кривая 2 на рис. 3.18). Генерация осуществляется по четырехуровневой схеме между энергетическими состояниями полос S1 и So. Нижними лазерными уровнями в этой схеме являются высокорасположенные уровни основного состояния So. Перестройкой резонатора, изменением концентрации красителя и длины кюветы можно производить перестройку частоты генерации. Для предотвращения нагрева производят непрерывную замену вещества в рабочем объеме. КПД достигает 25...30% при накачке лазерным излучением в непрерывном режиме. Мощность несколько Вт в непрерывном режиме, а также в импульсном - несколько МВт. Расходимость лазерного пучка составляет 2 -5 мрад. Жидкостные лазеры применяют в устройствах лазерного зондирования атмосферы (лидары), в лазерной спектроскопии, в фотохимии, при разделении изотопов. 3.2.3. Полупроводниковые лазеры Использование излучательной рекомбинации в полупроводнике при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход позволило создать новые классы приборов — светодиоды и полупроводниковые лазеры.(Гиперссылка 3.8) Эти приборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьма широки — от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами п/п приборов — малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью —светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры — в когерентное излучение оптического диапазона. Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковых (далее п/п) лазерах применяют следующие методы накачки: - инжекция носителей тока через р-n переход (инжекционные лазеры); - накачка пучком быстрых электронов; - оптическая накачка; - накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили п/п лазеры первых двух типов. Рассмотрим их более подробно. 3.2.3.1. Инжекционный лазер на гомогенном переходе В п/п-лазере (в основном на GaAs) энергетические уровни, относящиеся к лазерному переходу, определяются всей кристаллической решеткой (а не отдельными ионами, как в твердотельных лазерах). Уровни слиты в зоны. Интерес представляет валентная зона и зона проводимости. Валентная зона является наиболее высоким состоянием, занятым электронами. Зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной. При возбуждении электрон переходит в зону проводимости, образуя в валентной зоне дырку. Он может снова слиться (рекомбинировать) с дыркой, при этом разница энергии испускается в виде излучения. При сильном легировании GaAs пятивалентной примесью (например, сурьмой) появляется лишний электрон, который создает проводимость n-типа, трехвалентная примесь образует п/п р-типа. При их контакте образуется p-n переход (рис. 3.19 а). Такой переход называют гомогенным, так как он образован на основе одного материала (GaAs). Электронные состояния заполняются до уровня Ферми EF. (на рис. 3.19 а показано штриховкой). Рисунок 3.19 Когда к переходу прикладывается прямое смещение, то потенциальный барьер снижается (рис. 3.19 б). Образуется частичное перекрытие областей, где электроны присутствуют в дне зоны проводимости, а дырки - в валентной зоне (на рис 3.19 б эта область обведена пунктирной линией). В узкой области вблизи p-n перехода возникает инверсия населенности, т.е. возникают заполненные электронные состояния с энергиями, превышающими незаполненные электронные состояния. В этой области возможна радиационная рекомбинация при переходе электронов через запрещенную зону и слияние их с дырками. Кванты света с энергией ћ, равной ширине запрещенной зоны Eg, поглощаться системой не могут, потому что у потолка валентной зоны нет электронов, которые можно было бы перевести на дно зоны проводимости, которая к тому же занята. Поэтому квант света стимулирует рекомбинацию электрона и дырки, сопровождающуюся рождением точно такого же кванта. Т. к. оба этих кванта не поглощаются системой, то в дальнейшем они оба участвуют в возбуждении вынужденного излучения, порождая два новых кванта и т.д. Зеркала отражают падающие на них кванты и возвращают их в рабочий объем. Усилению подвергаются только те фотоны, которые движутся практически строго вдоль р-n перехода. В результате возникает остронаправленное излучение с высокой степенью монохроматичности. Т.о., p-n переход в прямом смещении может быть лазерным активным веществом. Лазерный активный элемент может иметь форму прямоугольного параллелепипеда (рис. 3.20). Две противоположные стороны, перпендикулярные p-n переходу, специально грубо обработаны с целью уменьшения отражения от граней. Другие две стороны сделаны оптически плоскими и параллельными либо путем раскалывания, либо путем полирования кристалла. Коэффициент отражения от границы воздух - п/п обычно достаточно велик, поэтому дополнительных зеркал не требуется. Такая структура использовалась в первых инжекционных п/п лазерах Рисунок 3.20 Рисунок 3.21 Гомогенные п/п переходы образуются за счет искусственно созданного распределения примесей. Однако лазеры на таких переходах имели ряд существенных недостатков. Во-первых, у них был маленький срок службы. Он сокращался из-за мгновенного разрушения лазерного перехода, вызванного излучением самого лазера. Во вторых, со временем происходило постепенное уменьшение мощности лазерного излучения и возрастание порогового тока. 3.2.3.2. Инжекционный лазер на гетерогенном переходе Проблемы надежности устройств первых п/п лазеров были в значительной степени решены с использованием гетероструктур в качестве лазерных материалов. Гетероструктуры представляют собой контакт на атомном уровне двух различных по химическому составу материалов (полупроводников), осуществленный на одном кристалле. В гетеропереходах помимо управления концентрацией и типом носителей заряда путем легирования имеется возможность управлять такими важными параметрами материала, как ширина запрещенной зоны и показатель преломления. При обозначении гетеропереходов сначала указывают тип проводимости п/п с узкой запрещенной зоной (строчными буквами n или р), а затем – п/п с широкой запрещенной зоной (заглавными буквами N или Р). Например, n-N, n-P, p-P, p-N. В области контакта двух различных по химическому составу материалов изменяются электрофизические характеристики материала: диэлектрическая проницаемость, сродство электронов, геометрические параметры решетки, эффективная масса и подвижность носителей заряда и др. Рассмотрим, как меняется коэффициент преломления в гомо- и гетероструктурах (рис. 3.22). а) гомопереход; б) одинарный гетеропереход; в) двойной гетеропереход с улучшенным оптическим волноводом; г) двойной гетеропереход с расширенным оптическим волноводом Рисунок 3.22. Структура и показатель преломления n различных типов переходов в арсениде галлия в зависимости от ширины перехода d Изменением состава твердых растворов можно в определенных пределах изменять параметры решетки и ширину запрещенной зоны. Энергетические диаграммы р-N и n-Р - гетеропереходов представлены на рис.3.23. Рисунок 3.23 Вследствие скачка диэлектрической проницаемости и электронного сродства контактирующих материалов в резких гетеропереходах появляются разрывы в валентной зоне (ΔЕV) и в зоне проводимости (ΔЕС), причем ΔЕV + ΔЕС = Eg1 - Eg2 . Потенциальные барьеры для электронов и дырок различны, что обуславливает особенности свойств гетероструктур. К ним относятся: - эффект широкозонного "окна", который позволяет с минимальными потерями вывести излучение из области р-n-гетероперехода (см рис. 3.22 г); - эффект односторонней инжекции носителей зарядов из широкозонной области в узкозонную. Обратной инжекции препятствует наличие дополнительного энергетического барьера (рис.3.24). За счет этого осуществляется преимущественная инжекция неосновных носителей заряда в ту область р-n-перехода, где максимален квантовый выход электролюминесценции; Рисунок 3.24 - эффект "сверхинжекции", который проявляется при достаточно большом напряжении смещения eU за счет наличия разрывов в зоне проводимости ΔЕС для р-N – гетероперехода (рис 3.25) (или ΔЕV для n-P –гетероперехода). В зоне проводимости электроны проходят узкий положительный потенциальный барьер за счет туннельного эффекта (показано стрелкой) и попадают в потенциальную яму. Таким образом, концентрация инжектированных носителей может превышать их концентрацию в эмиттере; Рисунок 3.25 - волноводный эффект, который проявляется из-за разницы в показателях преломления (см рис. 3.22 г). В результате этого световое излучение распространяется в как в волноводе. Перечисленные свойства гетеропереходов существенно облегчают достижение инверсии в инверсионных ДГС-лазерах (лазерах с двойной гетероструктурой). Эти преимущества проиллюстрированы на рис. 3.26. а) состав гомо- и гетероструктур; б) энергетические диаграммы; в) распределение концентрации электронов и дырок; г)профиль показателя преломления; д) распределение интенсивности основной аксиальной моды Рисунок 3.26. Сравнительная характеристика лазерных структур на гомо- и гетеропереходах Структурная схема одного из ДГС-лазеров приведена на рис. 3.27. Рисунок 3.27 В ДГС-лазерах при больших плотностях тока возможно появление токовых неустойчивостей, связанных с эффектами шнурования, локального нагрева и т.п. Это приводит к неустойчивости в работе. Избежать этих явлений можно в полосковых лазерах. В них активная область выполнена в виде узкой полоски. Это обеспечивает эффективную работу лазера, уменьшает рабочий ток, обеспечивает эффективную селекцию поперечных мод в направлении, поперечном р-n-переходу. Диэлектрик ограничивает электрическую накачку узкой полосой вниз по длине лазера. Это уменьшает разбиение пучка на несколько нитей. Структура одного из полосковых лазеров приведена на рис. 3.28. Рисунок 3.28. Структура ДГС-полоскового лазера GaxIn1-xAs1-yPy/InP 3.2.3.3. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой Существуют также п/п лазеры с электронной накачкой (Гиперссылка 3.9) (рис.3.21). Накачка быстрыми электронами (катодолюминесценция) применяется с использованием люминофора, в качестве которого используется обычно п/п ZnS с различными добавками, определяющими цвет свечения. При попадании в п/п быстрые электроны тормозятся, отдавая часть своей энергии на возбуждение неравновесных электронно-дырочных пар. За счет процессов многоступенчатой ионизации образуются "горячие" электроны и дырки, которые быстро термализуются, приходя в квазиравновесное состояние отдельно в зоне проводимости и в валентной зоне (Гиперссылка 3.9). Чтобы создавалось состояние инверсии, накачка должна быть очень интенсивной. Только 1/3 энергии идет на создание инверсии, остальное на разогрев, поэтому нужен хороший теплоотвод. Работают в импульсном режиме с пиковой мощностью до десятков кВт в сине-зеленой и оранжевой областях. Вместо электронной может быть применена оптическая накачка. Применение п/п лазеров: телекоммуникации, голография, лазерные целеуказатели, лазерные принтеры, накачка лазеров других типов. AlGaAs-лазеры, работающие в диапазоне 780 нм используются в проигрывателях компакт-дисков и являются самыми распространёнными в мире. § 3.3. Техника безопасности при работе с лазерами Лазерное излучение (прямое, отраженное либо рассеянное) при попадании в глаза и на кожный покров человека могут вызвать их повреждение. Поглощаясь биологическими тканями, излучение лазера может приводить к необратимым процессам в живом организме. В частности, энергия лазерного излучения может превратиться в тепловую энергию, вызывая ожог кожи, либо коагуляцию сосудов. Под действием мощного излучения могут обесцвечиваться волосы и разрушаться кожный покров. Действие лазерного излучения на биологические объекты зависит от мощности светового потока, длины волны облучения, режима работы лазера. Лазеры непрерывного действия малой мощности оказывают в основном тепловое воздействие, которое приводит к фотокоагуляции. Более мощные лазерные системы (в частности CO2, CO - лазеры способны разрезать ткани, что и используется в лазерной хирургии). Импульсные лазеры с длительностью импульса от единиц нс до единиц мс Импульсные лазеры с длительностью импульса от единиц нс до единиц мс и энергией в импульсе от единиц до тысяч Дж, кроме теплового воздействия могут приводить к взрывным процессам в тканях. Опытами на животных однозначно установлено, что лазерное излучение влияет и на нервную систему. Так при облучении головного мозга мышей сфокусированным лазерным пучком развивался паралич, и наступала смерть. Особенно опасно лазерное излучение для глаз, причем даже самых маломощных гелий-неоновых и полупроводниковых лазеров. Опытным путем на животных установлены допустимые плотности мощности и энергии (для случая импульсного воздействия) для органов зрения: при непрерывном излучении – 0,35 Вт/см2, при импульсном с длительностью около 30 мкс – 0,27 Дж/см2. Простые оценки показывают, что излучение маломощного гелий-неонового лазера при попадании в глаз может нарушить сетчатку. Проведем эту оценку. Пусть мощность лазера – 1 мВт. Оптическая система глаза представляет собой подобие собирательной (фокусирующей) линзы. Поэтому, плотность мощности p лазерного излучения в фокусе линзы составляет: (3.1) где P – мощность лазера, D – диаметр линзы (в данном случае входного зрачка), F – фокусное расстояние системы (для глаза F = 1,5 см), λ – длина волны излучения, λ = 632,8 нм. D изменяется в зависимости от яркости облучения от 1 до 7 мм. Полагая для простоты D = 0,1 cм, будем иметь: p =(0,1 см/1,5 см ⋅ 0,00006 см)2 ⋅ 0,001 Вт = 1,2⋅103 Вт/см2, что значительно превышает допустимое значение (0,35 Вт/см2). Из формулы (3.1) очевидно, что существенное значение имеет диаметр зрачка, который меняется в зависимости от освещенности. Поэтому рекомендуется работать с лазерами в хорошо освещенных помещениях, когда диаметр зрачка – минимальный. Впрочем, этому требованию при настроечных работах удовлетворить трудно – они проводятся в затемненном помещении. Таким образом, прямое попадание в глаз излучения маломощного лазера, либо отраженного или рассеянного излучения мощного лазера опасно для обслуживающего персонала и пациентов. При больших мощностях и энергиях могут страдать, как отмечено выше, кожный и волосяной покровы, центральная нервная система. Соответственно, необходим перечень защитных мероприятий: 1. Прежде всего, это определение предельно допустимых уровней мощностей (для непрерывных и квазинепрерывных) лазеров и энергий (для импульсных) для глаз, кожного покрова, нормального функционирования нервной системы и т.д. 2. Разработка правил охраны труда в помещениях, где работают лазерные установки (требования к помещениям). 3. Разработка правил эксплуатации лазерных установок (конкретно к используемым). При поражении глаза лазерным излучением необходимо забинтовать пострадавший глаз и немедленно отправить пострадавшего к врачу-офтальмологу. Контрольные вопросы к главе 3 1. Какие устройства называются мазерами? 2. Какие свойства молекулы аммиака обеспечивают рабочие лазерные уровни энергии? Сколько уровней участвует в усилении и генерации? 3. Каким приемом обеспечивается инверсия населенности? Как используется эффект Штарка? 4. Поясните принципиальную схему работы молекулярного мазера на пучке молекул аммиака. 5. В чем сходство и различие мазера на пучке атомов водорода с аммиачным мазером? 6. Где применяются пучковые мазеры? 7. Какие вещества используются в качестве активных сред в КПУ? Как в них образуются рабочие уровни энергии? 8. Как образуются рабочие уровни в рубине, легированном ионами хрома? 9. Поясните энергетические схемы работы КПУ. 10. Где применяются КПУ? 11. Что такое лазеры? 12. Чем отличаются газовые лазеры от твердотельных и жидкостных? 13. Поясните общую энергетическую диаграмму газоразрядного лазера? 14. Какие требования предъявляются к вспомогательному и рабочему газам? 15. Какова принципиальная схема работы газоразрядного лазера? 16. Поясните энергетическую схему работы гелий-неонового лазера. 17. Как осуществляется выбор рабочей частоты в гелий-неоновом лазере? 18. Каковы основные технические характеристики гелий-неонового лазера? 19. В результате чего образуются рабочие лазерные уровни СО2-лазера? 20. Поясните энергетическую диаграмму СО2-лазера. 21. Почему работа СО2-лазера эффективнее, чем гелий-неонового? 22. Поясните устройство СО2-лазера с продольной прокачкой газа. 23. Каковы основные технические характеристики СО2-лазера? 24. Какова отличительные особенности твердотельных и жидкостных лазеров? 25. Поясните энергетическую диаграмму рубинового лазера. 26. Какова структурная схема рубинового лазера? 27. Каков спектр поглощения и излучения рубинового лазера? 28. Каковы достоинства и недостатки рубинового лазера? 29. Какова энергетическая диаграмма иона неодима? 30. Каков спектр излучения иона неодима? 31. Какие вещества наиболее часто используются в качестве матрицы для иона неодима? 32. В чем достоинства и недостатки лазеров на ИАГ и стеклах с неодимом? 33. В чем преимущества лазеров на органических красителях? 34. Какова энергетическая диаграмма жидкостного лазера на красителе родамине 6G? 35. Каким образом производится перестройка частоты генерации лазера на красителе родамине 6G? 36. Каковы основные технические характеристики лазера на красителе родамине 6G? 37. Каковы основные достоинства полупроводниковых приборов оптического диапазона? 38. Какой материал в основном используется для полупроводниковых лазеров? 39. Чем отличается энергетическая схема полупроводниковых лазеров от других твердотельных лазеров? 40. Какова должна быть степень легирования полупроводникового материала? 41. Покажите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера и объясните принцип его работы. 42. Поясните структуру инжекционных полупроводниковых лазеров. 43. Как работают полупроводниковые лазеры с электронной накачкой? 44. Чем отличается гетероструктура от гомоструктуры и каковы ее преимущества? 45. Как изменяется показатель преломления в различных гетероструктурах? 46. Какие основные эффекты свойственны гетероструктурам? Поясните энергетическими диаграммами. 47. Поясните диаграммами сравнительные характеристики лазерных структур на гомо- и гетеропереходах. 48. Поясните структурная схему ДГС-лазера. 49. Опасно ли попадание в глаза излучения маломощного лазера? 50. Назовите основные требования техники безопасности при работе с лазерами. ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Увеличение объема и скорости передачи информации в высокопроизводительных интеллектуальных сетях требует разработки соответствующих технических средств, среди которых оптика и оптические методы передачи сигналов играют важнейшую роль. В настоящее время волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используются в сетях практически всех масштабов: корпоративных сетях и сетях доступа, городских и региональных сетях, междугородных и трансконтинентальных линиях связи. И чем больше протяженность, чем выше скорость передачи, тем более заметны преимущества технологии ВОЛС по сравнению с другими. § 4.1. Преимущества ВОЛС Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне. Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2 - 0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более. Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода. Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям. Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля. Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных. Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет. Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска. Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно бо́льшие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с. Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем. Конечно, ВОЛС не лишен некоторых недостатков. Перечислим основные из них: - сложная технология изготовления, как самого волокна, так и компонентов ВОЛС; - относительная дороговизна оптического оконечного оборудования. Однако оборудование является дорогим в абсолютных цифрах. Соотношение цены и пропускной способности для ВОЛС лучше, чем для других систем; - сложность соединения в случае разрыва. При аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями; - относительная хрупкость оптического волокна. При сильном изгибании кабеля (особенно, если в качестве силового элемента используется стеклопластиковый пруток) возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин; - замутнение волокна с течением времени вследствие старения. Тем не менее, преимущества от применения ВОЛС настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки, ВОЛС в настоящее время вытесняет электронные системы в телефонии, кабельном телевидении, связи между ЭВМ, трансатлантической и межконтинентальной связи и т.д. § 4.2. Принципы построения ВОЛС ВОЛС — волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне. Структурная схема ВОЛС представлена на рис. 4.1. Она включает в себя следующие основные элементы: входное кодирующее устройство КУ, передатчик, оптический кабель, ретранслятор Р, приемник, выходное декодирующее устройство ДКУ. Рисунок 4.1 Кодирующее устройство КУ преобразует исходную информацию в форму, удобную для передачи. Так, преобразование аналоговой информации в цифровой вид может быть обеспечено, например, импульсно - кодовой модуляцией (ИКМ). При ИКМ кодовыми группами двоичного кода кодируются отсчетные значения аналогового сигнала. В соответствии с этим ИКМ осуществляется в следующем порядке: дискретизация аналогового сигнала во времени, квантование по уровню отсчетных значений сигнала и их кодирование. Квантование и кодирование осуществляется в одном функциональном узле, называемом кодером. Оптические передатчики (трансиверы), применяемые в ВОЛС, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Главная часть передатчика - полупроводниковый лазер Л. Закодированная в электрическом сигнале информация с кодера поступает на модулятор М. Модулирующий электрический импульсный сигнал, поступая на блок питания, определяет мощность тока накачки в лазере, который, в свою очередь, управляет интенсивностью излучения лазера. Источниками излучения в оптических передатчиках с прямой модуляцией могут быть также полупроводниковые светодиоды. Их используют совместно с многомодовым волокном в низкоскоростных системах передачи информации на короткие расстояния. Модулированный оптический сигнал передается далее по оптическому кабелю (см. ниже). Ретранслятор Р служит для восстановления уровня сигналов, передаваемых на большие расстояния. Ретранслятор – это сетевое устройство, предназначенное для увеличения расстояния, на которое сигнал может быть передан по линии связи. В любой среде распространения переданный сигнал претерпевает затухание, что приводит к ограничению дальности связи. Причиной ослабления сигнала является рассеивание, поглощение и отражение света в местах соединения волокна и в самом волокне. Простым увеличением мощности сигнала на выходе передатчика обойтись нельзя, т.к. это может привести к чрезмерным помехам для других (соседних) каналов связи, перегреванию проводника и необоснованно высокому потреблению энергии. Усилители, устанавливаемые в разрыв канала связи между приемником и передатчиком, также не могут дать идеальное избавление от проблемы, т.к. вместе с полезным сигналом они усиливают также и помехи. Для решения вопроса увеличения дальности связи наиболее эффективно подходят ретрансляторы (повторители), которые перед усилением, восстанавливают форму исходного сигнала. Рассмотрим упрощенное устройство ретранслятора (рис.4.2). Первым элементом является приемник, который принимает сигнал из канала связи. Далее он передается на оптоэлектронный преобразователь, а после детектора – в электронно-оптический преобразователь. Рисунок 4.2. Пример ретранслятора для ВОЛС Приемники оптического излучения (фотоприемники) в цифровых системах связи представляют собой сложные устройства, осуществляющие преобразование световых сигналов в электрические. Для этого световое излучение преобразуется в электрический ток с помощью фотоприемника ФП, усиливается в усилителе слабых сигналов У, а затем происходит восстановление переданного сообщения и формирование соответствующего этому сообщению электрического сигнала в декодере ДКУ. Подавляющее большинство действующих оптических систем передачи информации используют двоичный (бинарный) код и простейшую амплитудную модуляцию с двумя значениями амплитуды сигнала. Приемники оптического излучения для таких систем имеют наиболее простую структуру. В первом блоке цифрового фотоприемника оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал с помощью фотодиода, установленного на входе в усилитель. Во втором блоке осуществляется усиление и коррекция АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) усилителей и фотодиода. Фильтр на выходе линейного усилителя корректирует АЧХ так, чтобы добиться максимального отношения сигнал. В третьем блоке восстанавливается исходная импульсная последовательность. Для принятия решения о том, какой символ передан (1 или 0) последовательность регенерируемых импульсов сравнивается с пороговым уровнем. Схема сравнения восстанавливает первоначальную последовательность цифровых символов. В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности и быстродействия структурная схема ВОЛС может изменяться. При короткой ВОЛС не нужен ретранслятор. В простейшем случае ВОЛС может состоять только из излучателя и фотоприемника. § 4.3. Оптическое волокно Важнейшим элементом ВОЛС является оптическое волокно (световод). (Гиперссылка 4.1) Передача оптической энергии по световоду обеспечивается за счет эффекта полного внутреннего отражения. Рассмотрим, как проявляется этот эффект в цилиндрическом двухслойном световоде (рисунок 4.3а). . Рисунок 4.3. Распространение излучения а) в двухслойном световоде, б) в селфоке Материал внутренней жилы имеет показатель преломления n1, материал оболочки n2, при этом n1>n2, то есть материал жилы оптически более плотный, чем оболочки. Для луча, входящего в световод под малым углом относительно оси световода, выполняется условие полного внутреннего отражения. При попадании на границу с оболочкой вся энергия отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях. В результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще выполняется полное внутреннее отражение, определяется выражением: . (4.1) Величина A0 называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами , не только отражается от торца, но и преломляется, и часть оптической энергии уходит из световода. При плавном уменьшении показателя преломления от центра к краю лучи, входящие в торец, преломляясь, фокусируются вблизи осевой линии в соответствии с рис. 4.3 б. Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки. Эти световоды называются селфоками или градиентными световодами. В них лучи, проходящие разными путями, практически одновременно сходятся в точку, поэтому удлинение передаваемого импульса меньше, чем в двухслойном волокне, и скорость передачи возрастает на порядок, до сотен Мбит/с. Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми (рис.4.4). Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 мк. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. Основные преимущества одномодовых оптических волокон: малое затухание, минимальная величина модовой дисперсии, широкая полоса пропускания (рис. 4.4 в). Именно поэтому подобные волокна наиболее активно используются в строительстве ВОЛС. Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 мк в европейском стандарте и 62,5 мк в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом (рис. 4.4 а). Короткий импульс, проходя по двуслойному световоду, удлиняется из–за того, что моды, идущие под малыми углами к оси волокна, распространяются быстрее мод, идущих под большими углами (дисперсия мод), из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный. Дисперсия мод ограничивает скорость передачи информации в оптической линии связи несколькими десятками Мбит/с. Рисунок 4.4. Характеристики оптического волокна а) многомодового; б) градиентного; в) одномодового В градиентном световоде (когда показатель преломления плавно изменяется) лучи света проходят по волно- или винтообразным спиралям (рис.4.4 в). Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом (т.к. показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается) увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает. Оптические волокна делаются, в основном, из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5. В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон § 4.4. Оптический кабель Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель (Гиперссылка 4.2) состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон, заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие и защитные элементы (рис.4.5). В общем случае ОК состоит из центрального силового элемента, оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами), силовых элементов, брони, защитных оболочек, внешней оболочки кабеля. Конструкции ОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей. Рисунок 4.5. Пример структуры оптического кабеля Центральный силовой элемент (ЦСЭ) применяется для повышения механической прочности ОК. ЦСЭ является сердцевиной кабеля, вокруг которого свиваются оптические модули. Наряду с ними вокруг ЦСЭ могут навиваться наполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Скручиваемые элементы (повивы) располагаются концентрически вокруг ЦСЭ. Совокупность этих скручиваемых элементов и ЦСЭ, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них называется сердечником кабеля. Для обеспечения водонепроницаемости ОК свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным наполнителем. Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для защиты сердечника волоконно-оптического кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр. Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК. Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм. Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм. Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна - градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных ретрансляторов. Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков. Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.). Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент. Оптические кабели разрабатываются и выпускаются во многих странах. Каждая фирма-производитель имеет собственную маркировку, в которой указывается вид и состав ОК. § 4.5. Элементная база ВОЛС Волоконно-оптическая линия связи формируется из большого количества различных элементов. Элементы ВОЛС можно разделить на две категории: пассивные и активные. 4.5.1 Пассивные элементы Пассивные компоненты ВОЛС (Гиперссылка 4.3)– это компоненты, не потребляющие электроэнергию. К ним относятся патч-корды, монтажные пигтейлы, оптические коробки, оптические адаптеры, оптические соединители и разветвители (рис. 4.6) и т.д., которые служат для объединения или разъединения оптических сигналов. Рисунок 4.6 Оптический патчкорд состоит из защитной оболочки, оптоволокна и оптических соединителей (коннекторов). Оптическими волокнами являются стеклянные или пластиковые нити, переносящие свет. Защитная оболочка оптического патч-корда, чаще всего, производится из полиэтилена, полипропилена и других материалов. Оптические патчкорды нужны для соединения всех компонентов ВОЛС между собой. Под монтажным пигтейлом подразумевают оптический кабель, оконцованный с одной стороны оптическим коннектором. Монтажные шнуры выпускаются разной длины и с разными типами оптических коннекторов. Посредством монтажных шнуров осуществляется оконцовка специальным сварочным аппаратом оптического кабеля. Оптические разъемы соединяются между собой с помощью оптических розеток. 4.5.2. Активные элементы Активное сетевое оборудование (Гиперссылка 4.4) работает от электрической сети. К ним относятся полупроводниковые лазеры (см. п. 3.2.3), светодиоды, фотодиоды, мультиплексоры и демультиплексоры, усилители, модуляторы, оптроны и др. Рассмотрим некоторые из них. 4.5.2.1. Оптические мультиплексоры и демультиплексоры применяются в оптических системах связи со спектральным уплотнением каналов (с одновременной передачей по оптоволокну сигналов с различными длинами волн). Мультиплексоры выполняют функции объединения оптических несущих с разными длинами волн (обычно они имеют несколько входов и один выход), демультиплексоры – обратную процедуру разделения оптических несущих по длинам волн (один вход, несколько выходов). Применяемые в линиях устройства для объединения сигналов с различными несущими длинами волн (мультиплексоры) и разъединения (демультиплексоры) должны иметь малые вносимые потери. Кроме того, они должны обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В основу работы этих устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта: угловая дисперсия, интерференция и поглощение. Конструктивно мульти-демультиплексоры нередко выполнены на основе объемных микрооптических элементов (микролинз, граданов) и содержат спектрально-селективные устройства – отражательную вогнутую либо плоскую дифракционную решетку, интерференционный фильтр, объемную голограмму, дисперсионную призму и др. 4.5.2.2. Светодиод или светоизлучающий диод (СИД/LED - light emitting diode) – п/п источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через р-n переход. Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Прохождение тока в прямом направлении сопровождается инжекцией неосновных носителей: электронов в р-область, дырок в n-область. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями данной области п/п и их концентрация быстро падает по мере удаления от р-n-перехода вглубь п/п. У таких п/п, как SiC, GaAs, InAs, GaP, InSb рекомбинация является излучательной. Поэтому у них пропускание через р-n-переход тока в прямом направлении сопровождается свечением области перехода. Это явление используют для создания люминесцентных диодов (светодиодов). Светодиод (при должном теплоотводе) имеет рабочую температуру нагрева до 60°С, что делает его незаменимым для некоторых областей применения. Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй - световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод. Падение яркости с повышением температуры неодинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AlGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4° до 140°. Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то делать нельзя, - а так называемым методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи Гц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Основное достоинство светодиодов в непосредственном преобразовании электрической энергии в световую с высокой эффективностью. Спектр излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны п/п материала, типом и уровнем легирующих примесей. Например, светодиоды на основе GaAs, легированного азотом, излучают в оранжевой, желтой и зеленой областях в зависимости от состава твердого раствора GaAs1-х Рх (х>0,6). Созданы светодиоды для всей области видимого спектра, а также ИК. 4.5.2.3. Фотодиод представляет собой р-n-переход, включенный в цепь в запорном направлении последовательно с внешним источником питания. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает незначительный так называемый темновой ток. При освещении р-n-перехода вследствие генерации избыточных носителей обратный ток увеличивается пропорционально световому потоку, вызывая увеличение падения напряжения на нагрузочном сопротивлении RН, которое является выходным сигналом (рис.3.29). Рисунок 4.7 - Структурная схема фотодиода При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n. Иначе говоря, при освещении фотодиода (Ф > 0) в его базе под действием квантов света развивается процесс генерации пар зарядов. Наиболее интенсивен процесс генерации пар зарядов у внешней поверхности базы. Вновь образовавшиеся электроны и дырки диффундируют через толщу базы к р-п-переходу. Электроны увлекаются контактным полем и выбрасываются в n-область, увеличивая таким образом плотность потока неосновных носителей через переход, а следовательно, и обратный ток в приборе. Для того чтобы вновь образовавшиеся электроны могли в большинстве своем достичь области р-п перехода, толщина базы должна быть меньше диффузионной длины электронов: w < Ln. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды.(гиперрссылка 4.5) Фотодиод типа p-i-n может быть как германиевым, так и кремниевым. Отличие его заключается в том, что р- и n-области полупроводника разделены слоем i — собственного полупроводника. Таким образом, в приборе создаются два перехода: типа p-i и типа n-i. Однако если к фотодиоду приложено обратное напряжение такой величины, что области объемного заряда обоих переходов, простирающиеся в основном в i-слои, перекрываются, то образуется как бы один переход, запирающий слой которого лежит в i-области. Базу в таком диоде делают достаточно тонкой, так что акты собственного поглощения фотонов приходятся на i-область. Основное время движения генерированных носителей в приборе определяется их дрейфом через i-область. В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0,1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии. Достоинства: 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области; 2) высокая чувствительность и быстродействие; 3) малое рабочее напряжение Uраб. Недостаток: сложность получения высокой чистоты i-области. Характерные качества p-i-n-фотодиода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. Р-i-n-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку — как только ведро наполняется до уровня отверстия — оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область. Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию. Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n-фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле, в котором происходит лавинное размножение носителей, образующихся под влиянием света, то есть усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала. 4.5.2.4. Для передачи оптического или электрического сигнала, а также преобразования оптического сигнала в электрический или наоборот служат оптроны. Это оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники, оптически и конструктивно связанные с друг другом. Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях (обычно светодиоды) энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемнике (обычно фотодиоды и фоторезисторы) - наоборот. Оптрон представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами. Связь оптрона с внешней схемой электрическая. Внутри оптрона связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. Введение с помощью оптрона оптического управления позволяет получить элементы электронной схемы с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками. Обобщенная структурная схема оптрона приведена на рис. 4.8. Рисунок 4.8 В структурой схеме рис. 4.8 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи. Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления. В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от «обычного» оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления. В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический. При этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие. Выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор). Общая структурная схема рис. 4.8 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС. Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 4.8; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона. Достоинства оптронов: очень высокая электрическая изоляция входа и выхода, однонаправленность потока информации, широкая полоса пропускания, возможность бесконтактного управления электронными объектами, невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей. Недостатки оптронов: низкий КПД, обусловленный двойным преобразованием энергии (электричество – излучение – электричество); значительная потребляемая мощность; сильная температурная зависимость параметров; высокий уровень собственных шумов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэлектронные приборы характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях информационных систем для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используется много новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы, разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективы развития многих ее направлений практически безграничны. Новые направления чаще всего возникают как интеграция ряда уже известных достижений оптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи; оптические запоминающие устройства, опирающиеся на лазерную технику и голографию; оптические транспаранты, использующие успехи фотоэлектроники и нелинейной оптики; плоские безвакуумные средства отображения информации и др. Контрольные вопросы к главе 4 1. Каковы преимущества использования оптического излучения для передачи и обработки информации и его недостатки? 2. Поясните структурную схему ВОЛС. 3. Какие функции выполняют элементы ВОЛС? Каков общий принцип работы каждого из этих элементов? 4. Что такое световод? За счет чего передается оптическая энергия по световоду? 5. Чем определяется числовая апертура световода? 6. Какие световоды называют одномодовыми? В чем их отличие от многомодовых оптических волокон? 7. Что такое селфок? В чем его преимущество? 8. Из каких материалов изготавливаются световоды? 9. Каково строение оптического кабеля? Для чего служат его сотавляющие? 10. Какие основные виды оптических кабелей Вы знаете? Где они применяются? 11. Какие элементы считаются пассивными элементами ВОЛС? Какие функции они выполняют? Приведите примеры структурных схем соединителей и разветвителей. 12. Что относится к активным элементам ВОЛС? 13. Поясните функцию мультиплексоров и демультиплексоров. На чем основана их работа? 14. Каков принцип действия светодиодов? Какие материалы используются для их изготовления? 15. Каков принцип работы фотодиода? Что такое p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды? Каковы их достоинства? 16. Что такое оптроны? Какие функции они выполняют? Каковы их достоинства и недостатки? Примечание автора. Данное учебное пособие составлено, в основном, на основе рекомендованного Министерством образования РФ учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электроника и микроэлектроника»: Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов/ Пихтин А.Н. – М.: Высш. шк.., 2001.-573 с. Для составления гиперссылок использованы различные Интернет-ресурсы.