Полупроводниковый лазер — лазер, активной средой которого является полупроводниковый кристалл, а точнее, область p-n перехода.
В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что обуславливает возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора 50 мкм — 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, полупроводниковые лазеры обладают высоким кпд (до 50%).
А большой выбор современных полупроводниковых материалов обеспечивает генерацию в широком спектральном диапазоне (от 0,3мкм до 30 мкм).
Эти качества обеспечили полупроводниковым лазерам широкое применение в различных областях современной деятельности человека.
Для работы лазера любого типа необходимо выполнение следующих основных требований: 1) создание инверсной заселённости на одном из оптических переходов; 2) превышение усиления над потерями; 3) наличие резонатора для обеспечения положительной обратной связи.
В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковых лазерах используются излучательные квантовые переходы между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Инверсная населённость создаётся с помощью инжекции через p-n переход неравновесных носителей тока, путём приложения внешнего напряжения в прямом направлении. Дело в том, что распределение электронов по возможным энергетическим уровням в полупроводниках зависит от концентрации примеси и температуры кристалла. При этом для каждой температуры существует вполне определённое распределение электронов по энергетическим состояниям. При изменении температуры через некоторое время устанавливается равновесие электронов и атомов и происходит новое распределение электронов по энергетическим уровням. При этом часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободными носителями тока. Эти свободные носители, существующие при тепловом равновесии, называются равновесными носителями тока. Если возбуждение электронов происходит не в результате теплового воздействия, а за счёт других процессов, например, путём освещения полупроводника или путём приложения электрического поля, то в течение относительно длительного времени электроны могут обладать температурой, большей, чем температура атомов, что приводит к увеличению электропроводности, и такие электроны (и дырки) называются неравновесными носителями тока. Наряду с генерацией неравновесных носителей существует обратный процесс — рекомбинация электронов и дырок — переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего происходит исчезновение электронов и дырок. Рекомбинация может сопровождаться излучением фотонов, что и лежит в основе работы полупроводниковых лазеров
Типы и характеристики лазеров
... луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: ...
Полупроводниковые или диодные лазеры очень важны для многих применений. В них используются не уровни, а энергетические состояния нелокализованных электронов. В твердых телах энергетические уровни электронов группируются в зоны. При температуре абсолютного нуля в полупроводниках, все имеющиеся уровни заполняют одну зону (валентная зона), а последующие свободные уровни группируются в другой зоне (зона проводимости), которая совершенно не заполнена и отделена от валентной зоны некоторым промежутком энергий, для которых нет состояний. Этот интервал называется запрещенной зоной (энергетической щелью).
В этих условиях материал не может проводить ток и является изолятором. Когда температура увеличивается и если зона проводимости расположена от валентной зоны не слишком высоко, термическое возбуждение достаточно, чтобы некоторые из электронов перескочили в зону проводимости. Поскольку там все уровни пустые, они способны обеспечить электрический ток. Однако из-за того, что их мало, величина тока невелика. Соответственно материал становится проводящим с плохой проводимостью, т.е. полупроводником. Электроны, которые способны поддерживать ток в зоне проводимости, оставляют вакантными состояния в валентной зоне. Эти вакантные состояния, которые называются дырками, ведут себя как положительно заряженные частицы и также участвуют в проводимости. В чистом полупроводнике термическое возбуждение производит электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне в равных количествах.
Электроны и дырки, способные поддерживать ток, называются носителями. Если по какой-либо причине в зоне проводимости оказывается больше электронов, чем следует по статистике Максвелла-Больцмана, избыток электронов падает на вакантные энергетические уровни валентной зоны и таким образом возвращается в валентную зону и там исчезает дырка. То же самое происходит, если, наоборот, больше дырок присутствует в валентной зоне, чем допускается данной температурой. Этот процесс называется рекомбинацией двух носителей. Он происходит, давая энергию, соответствующую величине интервала между двумя зонами, которая проявляется либо в виде механических колебаний решетки, либо в виде испускания фотона. В последнем случае переход называется излучательным, а энергия фотона соответствует разности энергий уровней в валентной зоне и в зоне проводимости, т.е., грубо говоря, равной энергии запрещенной зоны.
Некоторые полупроводники не вполне чистые. Примеси образуют энергетические уровни электронов внутри зон. Если эти дополнительные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости, термическое возбуждение заставляет их электроны перепрыгнуть в зону проводимости, где они способны поддерживать электрический ток. Уровни примеси остаются пустыми и, поскольку они фиксированы в материале, не способны поддерживать ток. В этом случае единственными носителями тока являются электроны в зоне проводимости, и полупроводник называется допированным n-типом («n» напоминает, что проводимость обеспечивается отрицательными зарядами).
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ
... молнии. Носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны, и поэтому такую проводимость называют электронной. Металлы имеют наибольшую проводимость среди проводников. Так как работа ... (резиновые перчатки). ГЛАВА I. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. Электрическая проводимость вещества зависит от концентрации в н ...
Наоборот, если уровни примеси располагаются вблизи верха валентной зоны, термическое возбуждение заставляет электроны из валентной зоны перепрыгнуть на эти примесные уровни, образуя тем самым дырки, которые способны поддерживать ток. Тогда полупроводник называется p-типом («p» — для положительного заряда).
Возможно так допировать полупроводник, что получаются области как p-типа, так и n-типа с узкой промежуточной областью между ними. Этот промежуток между различными областями называется p-n-переходом. Если заставить ток протекать через этот переход, делая n область отрицательной и p область положительной, электроны инжектируются в этот переход. На основе этого свойства были изобретены в конце 1940-х гг. транзисторы, вызвавшие революцию в мире электроники.
Первый полупроводниковый лазер был изобретен в 1962 году Р. Холлом.
1. Структура лазера
Рис. 1.1. Структура лазера.
На рис. 1.1. представлена структура лазера: 1-Активная среда; 2-зеркала резонатора; 3-система накачки; 4-отражающие покрытия.
Работа лазера базируется на выполнении трех необходимых и достаточных условий: резонатор накачка лазерный генерация
1.Наличие лазерной активной среды, то есть среды, обладающей способностью усиления оптического излучения при изменении ее энергетического состояния.
2.Создание инверсной населенности в лазерной активной среде, то есть перераспределения общего числа электронов по энергетическим уровням таким образом, чтобы верхние энергетические уровни были заселены больше, чем нижние.
3.Обеспечение в самом источнике (лазерной активной среде) положительной обратной связи (она реализуется с помощью оптического резонатора).
Направленность лазерного излучения
Направленность лазерного излучения характеризуется расходимостью лазерного луча — определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру оптического резонатора
Где — размер резонатора.
В любом резонаторе условие резонанса выполняется для многих типов колебаний — мод, отличающихся друг от друга частотой и распределением электромагнитного поля вдоль резонатора. В результате спектр излучения любого лазера состоит из набора мод, а для получения одночастотного или одномодового режима необходимо использовать избирательные элементы.
Инверсная заселенность
Инверсная заселенность — это концентрация атомов с одинаковым энергетическим со- стоянием; в термодинамическом равновесии подчиняется статистике Больцмана:
Где — концентрация атомов, состояние электронов в которых соответствует энергетическим уровням с энергией и .
Когда концентрация невозбужденных атомов больше, чем возбужденных, величина Дn = отрицательна, следовательно, населенность нормальная. Когда концентрация возбужденных атомов больше, чем невозбужденных (что обеспечивается воздействием энергии накачки), величина Дn становится положительной, то есть происходит инверсия населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет возбужденных атомов.
Формально условие Дn > 0 выполняется при абсолютной отрицательной температуре T < 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью — активной средой.
Лазеры и их применение (2)
... лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров ... потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может ... волну - фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все ...
В полупроводниковых лазерах инверсия между населенностями энергетических уровней зоны проводимости и валентной зоны достигается инжекцией носителей при положительном смещении p-n-перехода.
Лазерное усиление
Лазерное усиление — это усиление оптического излучения, основанное на использовании индуцирующего излучения — при воздействии кванта излучения на атом в возбужденном состоянии, происходит переход электрона из состояния с энергией в состояние с энергией , сопровождаемый испусканием кванта излучения c энергией, равной энергии вынуждающего кванта hн = — .
В среде с достаточной концентрацией возбужденных атомов при пропускании через нее излучения, можно получить режим усиления, если количество образовавшихся фотонов существенно больше потерь на поглощение и рассеяние.
Инжекционный лазер представлен на рисунке 1.3
Рис. 1.3.Схема устройства полупроводникового инжекционного лазера (лазерного диода)
На рис.1. 4 представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми у них выравниваются (рис.1. 4 а).
А если они находятся под разными потенциалами, то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис.1. 4. б).
Рис.1. 4. Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: p-n переход без приложенного внешнего напряжения (а); p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б).
d — ширина p-n перехода, l — реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.
В этом случае в зоне p-n перехода создаётся инверсная населённость и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками).
При этом испускаются фотоны. По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную положительную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию. При этом процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового излучателя. При увеличении тока выше порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает — начинается лазерный режим работы полупроводникового излучателя. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.
На рис.1. 5 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. Угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине — 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 — в плоскости YZ.
Оптические квантовые генераторы. Лазеры
... котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ... монохроматического излучения. Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в ...
Рис.1. 5. Принципиальная схема лазера на p-n переходе. 1-область p-n перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости ХY.
В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры, в разработку которых значительный вклад внес академик РАН Ж. И. Алферов (Нобелевская премия 2000 года).
Лазеры на основе гетероструктур обладают лучшими характеристиками, например, большей выходной мощностью и меньшей расходимостью. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 1. 6, а её энергетическая схема — на рис. 1. 7.
Рис. 1.6. Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом.
Рис. 1.7 .Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис. 1. 6. ДЕgc-ширина запрещённой зоны; ДЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода.
Рис. 1. 8. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой: l — длина резонатора
2. Активная среда полупроводникового лазера
Активная среда — вещество, в котором создается инверсная заселенность. В разных типах лазеров она может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках).
Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. Лазеры получают названия в зависимости от используемой активной среды.
Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.
Существует два типа полупроводниковых лазеров.
Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, где в качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe
Второй тип полупроводникового лазера — так называемый инжекционный лазер — состоит из примесных полупроводников, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019 . Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия GaAs.
Условие создания инверсной населенности для полупроводников на частоте v имеет вид:
- ?F=->hv
То есть, чтобы излучение в полупроводниковом монокристалле усиливалось, расстояние между уровнями Ферми для электронов и дырок должно быть больше энергии кванта света hv. Чем меньше частота, тем при меньшем уровне возбуждения достигается инверсная населенность.
3. Система накачки полупроводникового лазера
Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники — электрическим током.
Диффузионный СО2 лазер с ВЧЕ-разрядом
... космос или из космоса на Землю, обсуждаются вопросы создания реактивного двигателя, использующего излучение лазера. За 33 года, прошедших со времени создания первого образца (С. Пател, 1964г.) ... предъявляемыми к активной среде лазера. 2. Квантовое описание лазера Возбуждённая частица может перейти в менее энергетическое состояние самопроизвольно в результате спонтанного излучения, или, как его ещ ...
В полупроводниковых лазерах используется накачка электронным пучком (для полупроводниковых лазеров из беспримесного полупроводника) и подачей прямого напряжения (для инжекционных полупроводниковых лазеров).
Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3.1) или продольной (рис. 3 .2).
При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера — лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.
Рис. 3.1 — Поперечная накачка электронным пучком
Рис. 3.2 — Продольная накачка электронным пучком
В инжекционном лазере имеется p-n-переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками. При подаче прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 3.3).
Рис. 3.3 — Принцип устройства инжекционного лазера
Накачка обеспечивает импульсный или непрерывный режим работы лазера.
4. Резонатор полупроводникового лазера
Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего, в качестве полупрозрачного — стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).
Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех видах лазеров, служит плоский резонатор (интерферометр Фаби — Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии друг от друга.
В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть полупрозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения поверхностей пластин на них обычно наносятся многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Поглощение света в таких покрытиях практически отсутствует. Иногда отражающие покрытия наносятся непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды. Тогда необходимость в выносных зеркалах отпадает.
Рис. 4.1. Типы оптических резонаторов: а — плоский, б — призменный, в — конфокальный, г — полуконцентрический, д — составной, е — кольцевой, ж,з — скрещенные, и — с брэгговскими зеркалами. Заштрихованы активные элементы.
Применение лазеров в лазерном шоу
... выделяют три вида лазерных шоу: ·лазерная графика (laser grafic show), ·объемное лазерное шоу (laser beam show) ·смешанное лазерное шоу (laser mix show). .1.Лазерная графика Лазер рисует изображение, в ... Полноцветный ("RGB" или "белый") лазер. В полноцветных лазерных проекторах, как правило, установлено три источника излучения - красный, зеленый и синий, излучение которых может смешиваться в ...
В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму (рис. 4.1, б).
Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате двукратного полного отражения выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора.
Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф ( рис. 4.1, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами l=R. Если это расстояние уменьшить в два раза так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софокусный резонатор.
Для научных исследований и различных практических целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. Например, рис. 4. 1, д. — составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 4. 1,е).
Для создания логических элементов вычислительных машин и интегральных модулей используются многокомпонентные скрещенные резонаторы (рис. 4. 1. ж,з).
Это по существу совокупность лазеров, допускающих их селективное возбуждение и объединенных вместе сильной оптической связью.
Особый класс лазеров составляют лазеры с распределенной обратной связью. В обычных оптических резонаторах обратная связь устанавливается из-за отражения генерируемого излучения от зеркал резонатора. При распределении обратной связи отражение происходит от оптически неоднородной периодической структуры. Примером такой структуры служит дифракционная решетка. Она может быть создана механическим путем (рис. 4. 1, и) или селективным воздействием на однородную среду.
Используются и другие конструкции резонаторов.
По определению, к элементам резонатора необходимо относить также пассивные и активные затворы, модуляторы излучения, поляризаторы и другие оптические элементы, применяемые при получении генерации.
5. Потери в резонаторе
Генерацию излучения упрощенно можно представить так: рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения, еще до создания инверсной населенности, рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз. Например, в плоском резонаторе через активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на зеркала под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него. Так появляются потери.
Лазеры и их применения в медицине
... Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу ... системы накачки (источник энергии); [Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/lazernaya-himiya/ оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя). Каждая из них обеспечивает для работы ...
Выделяют несколько видов потерь на резонаторе:
1.Потери на зеркалах.
Поскольку часть генерируемого в среде излучения необходимо вывести из резонатора, применяемые зеркала (по крайней мере одно из них) делаются полупрозрачными. Если коэффициенты отражения зеркал по интенсивности равны R1 и R2 , то коэффициент полезных потерь на выход излучения из резонатора в расчете на единицу длины будет задаваться формулой:
2.Геометрические потери
Если луч распространяется внутри резонатора не строго нормально поверхностям зеркал, то после определенного числа отражений он достигнет краев зеркал и покинет резонатор.
3. Дифракционные потери.
Рассмотрим резонатор, образованный двумя плоскопараллельными круглыми зеркалами радиусом a. Пусть на зеркало 2 падает параллельный пучок излучения с длиной волны л. Пучок отражается от зеркала и одновременно дифрагирует в угол порядка d ? ? л a . Числом Френеля для данного резонатора называется число проходов между зеркалами, когда итоговая расходимость пучка достигнет угла выхода излучения за края зеркал ?=a/L
4.Рассеяние на неоднородностях активной среды.
Если резонатор заполнен активной средой, то возникают дополнительные источники потерь. При прохождении излучения через активную среду часть излучения рассеивается на неоднородностях и посторонних включениях, а также ослабляется в результате нерезонансного поглощения. Под нерезонансным поглощением понимают поглощение, связанное с оптическими переходами между уровнями, не являющимися рабочими для данной среды. Сюда же могут быть отнесены потери, связанные с частичным рассеянием и поглощением энергии в зеркалах.
6. Условия начала генерации
Процесс излучательной рекомбинации обусловлен спонтанными переходами зона-зона. При некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковые частоту и фазу с индуцирующими. Условия возникновения индуцированного (лазерного излучения):
1.Наличие активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения.
2.Наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров — инжекция носителей заряда через р-n-переход.
3.Наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Одним из наиболее распространенных методов реализации является использование резонатора Фабри-Перо — системы из двух плоскопараллельных зеркал, обеспечивающей многократное прохождение оптического излучения через активное вещество. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. В полупроводниковом лазере резонатором служат параллельные грани самого кристалла, создаваемые путем скола.
4.Обеспечение условий ограничения:
- А) электрическое — состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область;
- Б)- электронное — требует предотвратить «растекание» возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла;
- В)- оптическое — состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл; в инжекционных лазерах обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько больший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча.
Требования электрического и электронного ограничения являются специфическими, характерными только для полупроводниковых лазеров. Для полупроводникового лазера границы оптического канала не обязательно должны совпадать с областью электронного ограничения.
Лазерные технологии (2)
... материалами, определяющие возможности таких быстро развивающихся областей лазерной технологии, как лазерный отжиг полупроводников, лазерное легирование, геттерирование, напыление тонких эпитаксиальных пленок, а ... генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности. Генерируемое лазером излучение ...
5.Наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д. Необходимость восполнить энергию, расходуемую на эти потери, и объясняет наличие порога лазерной генерации.
7. Условие лазерной генерации и порог возбуждения
Чтобы превратить усилитель оптического излучения в генератор, необходимо организовать петлю положительной обратной связи. Наиболее просто это сделать, если поместить активную среду в оптический резонатор — между двумя зеркалами, плоскости которых взаимно параллельны. Для каждой резонансной частоты резонатора устанавливается равновесная плотность оптической мощности, соответствующая равенству усиления на проход и общих потерь излучения (включающих энергию выходного луча лазера).
Генерация не может начаться, пока коэффициент усиления не превысит потери, т.е. пока уровень инверсии населенности не превысит порог . Порог генерации — это энергия, поступающая от источника накачки, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерации равен общему коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на этой же частоте. Коэффициент усиления зависит от инверсной населенности — для полупроводникового лазера определяется концентрацией избыточных носителей или плотностью тока, протекающего через p-n-переход. Плотность тока, при которой выполняется равенство = , называется пороговой.
8. Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров
Ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения от тока накачки (рис. 8.1)
Рис. 8.1. Ватт-амперная характеристика.
На типичной ватт-амперной характеристике гетеролазера можно выделить три участка:
1.Светодиодный режим — участок, на котором преобладает спонтанное излучение, смещение структуры еще не велико и инверсная населенность не достигнута. Лазер в этом режиме аналогичен светодиоду с торцевым выходом излучения;
2.Режим суперлюминесценции — доля индуцированных переходов уже сравнима с величиной спонтанного излучения;
3. Режим лазерной генерации — мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, а зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна.
Спектральная характеристика — зависимость мощности излучения от длины волны; определяется током накачки (режимом работы лазера).
В светодиодном режиме ширина спектра максимальна, а сама кривая имеет гладкий непрерывный характер (рис. 8.2)
Рис. 8.2. Спектральная характеристика в светодиодном режиме.
При приближении величины тока накачки к (соответствует режиму суперлюминесценции), ширина спектра существенно уменьшается.
В режиме лазерной генерации кривая имеет ярко выраженные спектры отдельных мод, возникающие из-за неидеальности оптического резонатора (рис. 9.3).
Ширина спектра при этом обычно не превышает нескольких нанометров, а ширина спектральной линии отдельной моды менее 0,01 нм (рис. 8. 4)
Рис. 8. 3. Спектральная характеристика в режиме лазерной генерации.
Рис. 8. 4. Ширина спектра одной моды
По виду спектральной характеристики лазеры подразделяются на:
1.Одномодовые — основная мощность излучается на одной моде, а все остальные имеют существенно меньшую амплитуду (рис. 8. 5)
Рис. 8. 5. Спектральная характеристика одномодового лазера
2.Многомодовые — имеется несколько мод излучения, сравнимых по амплитуде (рис. 8. 6).
Рис. 8. 6. Спектральная характеристика многомодового лазера.
Частотная характеристика — зависимость значения амплитуды импульса оптического излучения от частоты модуляции (рис 8. 7.)
Рис. 8. 7. Частостная характеристика лазера.
Резонансный характер АЧХ лазера объясняется тем, что рост концентрации носителей в активной области, вызванный увеличением модулирующего тока, происходит с некоторой задержкой. Повышение концентрации вызывает рост рекомбинационного излучения, которое, опять с задержкой, увеличивает индуцированную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей. Наличие задержек приводит к переходу через равновесное состояние и процесс становится колебательным — явление электрон-фотонного резонанса. Переходная характеристика — характеризует импульсный режим работы; из-за явления электрон-фотонного резонанса имеет релаксационные колебания. Ток смещения желательно поддерживать возможно ближе к пороговому для уменьшения времени переходных процессов и повышения быстродействия.
При импульсной модуляции даже лазеры, стационарное излучение которых является одномодовым, оказываются многомодовыми в течение нескольких наносекунд при импульсном переходе через порог лазерной генерации.
9. Применение полупроводникового лазера в лазерной арфе
Лазерная арфа получила свое имя из-за сходства с обычной арфой, впервые была использована JMJ во время концертов в Китае в 1981 году. Китайская публика была поражена и восхищена этим инструментом. Струнами в этой арфе являются лазерные лучи. Прототип лазерной арфы был разработан французом Бернардом Шайнером (Bernard Szajner) в 1979 году. В 1981 году, когда инструмент был впервые показан публике, он еще был в стадии разработки. С тех пор лазерная арфа претерпела много изменений.
Существует две основные разновидности этого инструмента: фреймовая арфа (или закрытая арфа, арфа в рамке) и открытая арфа (безрамочная арфа).
Фреймовая лазерная арфа
Рис. 1. Лазерная арфа.
Открытая лазерная арфа
Принцип работы таких лазерных арф гораздо сложнее и основную роль тут играют специальные сенсоры, расположенные снизу, у ног исполнителя. Эти сенсоры регистрируют световые вспышки от рук исполнителя: когда музыкант накрывает своей ладонью тот или иной луч, его ладонь вспыхивает ярким светом. По принципу работы этих сенсоров открытая лазерная арфа подразделяется на чисто аппаратную и на программно-аппаратную. В первых сигналы от фоточувствительных элементов обрабатываются приборами на основе микроконтроллеров, во вторых сенсорами обычно выступают скоростные видеокамеры (от 60 кадров в секунду и выше), изображение от которых обрабатывается специальными программами на компьютерах в реальном времени. В дальнейшем и те и другие открытые лазерные арфы могут выдавать сигнал на программный или «железный» синтезатор, который в конечном счете и воспроизводит звучание того или иного инструмента.Первые лазерные арфы были одноцветными— обычно с зелеными лучами. Связано это с особенностью человеческого зрения: при одной и той же мощности лазерного проектора зеленый свет лазера гораздо лучше виден нам, чем, скажем, красный. Но потом стали появляться двухцветные и многоцветные лазерные арфы.
Опасность лазерной арфы
Оптическая мода у лазера ТЕМ01 или ТЕМ02. Луч отчетливо размазан по вертикали, но выходная мощность весьма велика. Внесенная в луч спичка моментально загорается, картонная коробка прожигается насквозь, а дерево моментально начинает дымить и обугливаться даже на расстоянии нескольких метров. Если сделать перетяжку луча линзой, то предмет мгновенно испариться под мелкие клубы дыма. Поэтому техника безопасности очень важна при использовании такого музыкального инструмента, необходимо использовать специальные жаропрочные перчатки (рис.2, рис. 3), а также темные очки для защиты глаз.
Рис. 2. Жаропрочные перчатки.
Рис. 3. Комплект защиты музыканта.
Фреймовая лазерная арфа представляет из себя замкнутую конструкцию, у которой снизу вверх идут лучи лазера, и они «упираются» в верхний край этой рамки, на котором смонтированы фотоприемники (как в системах лазерной сигнализации или в турникетах метро).
Иногда фреймовые арфы выполняются в виде реальных арф. При прерывании луча рукой фото-приемник выдает сигнал о потере света генератору, замыкаются контакты и система издает определенный звук. Помимо лазеров, в основании конструкции находится генератор дыма, который создает необходимую среду для видимости лучей.
Устройство состоит из четырех независимых одинаковых схем фотореле на фоторезисторе. Электрическая принципиальная схема такого фотореле представлена на рис. 4 . В качестве транзисторов VT1 и VT2 был использован транзистор BC 547.
В качестве диода VD2 был использован диод КД522А. В качестве нагрузки, которое коммутирует реле, используется контакты микроконтроллера клавиатуры персонального компьютера (рис. 3).
При срабатывании реле происходит коммутация сигналов, и микроконтроллер клавиатуры отправляет в компьютер через порт PS/2 или USB через активный переходник скан-код клавиши.
Рис. 4
Используемый лазер представлен на рис. 5.
Рис. 4. Лазерный модуль, используемый в лазерной арфе.
Схема лазерной арфы
Цифровая часть схемы, можно сказать, стандартная и не имеет никаких тонкостей. Несколько кнопок, ЖК дисплей и микроконтроллер. С порта B
микроконтроллера цифровые значения преобразуются в аналоговые микросхемой ЦАП КР572ПА1, преобразованный сигнал усиливается микросхемой LM358N и подается на управление гальвой. Гальва в свою
Рис. 5. Схема лазерной арфы.
очередь позиционирует луч. Подстроечными резисторами R7 и R11 регулируют развал и центровку лучей веера. Эти подстроечные резисторы должны быть высокого качества, желательно многооборотные. Датчик засветки — TSL12S подключен на вход АЦП микроконтроллера через переменный резистор-аттенюатор, которым регулируют порог срабатывания датчика. Двухполярное питание устройства осуществляется от блока питания гальвы. Датчик улавливает отраженный от руки свет лазера и активирует нужную ноту. Т.е. арфа работает на отражение луча, а не как в аналогичных девайсах, имеющих вверху лучей рампу с датчиками. Здесь никаких рамп нет, лучи могут уходить далеко вверх насколько угодно. В схеме предусмотрен дополнительный вход для подключения внешнего пульта. Этот вход зарезервирован для будущих модификаций программного обеспечения и пока никак не используется.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/injektsionnyie-lazeryi/
1. Бруннер К. Дж. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. /Под ред. В. Ю. Баранова. М.: Энергоатомиздать, 1991. — 544 с.
2. Галеев Б. М, Зорин С. М, Сайфуллин Р. Ф
3. Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры: учеб. Пособие по спец. «Радиофизика и электроника». — МН.: Университетское, 1988. — 304 с.
4. Кадино Э. Цветомузыкальные установки: Пер. с франц. — М.: ДМК Пресс 2000 — 256 с.
5. Забродин Ю.С. Промышленная электроника — М.: Высшая школа, 1982. — 496 с.
6. Харанжевский Е. В., Кривилёв М. Д. Физика лазеров, лазерные тех- нологии и методы математического моделирования лазерного воз- действия на вещество. Учебное пособие. Под общей редакцией П. К. Галенко. Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2011. 187 с.. Светомузыкальные инструменты — М.: Радио и связь, 1987 — 128 с.
