Основы квантовой электроники (стр. 26 )

Другими способами накачки служат электрический пробой (в т. наз. стримерных лазерах), накачка пучком электронов и оптическая накачка.

5.5.2. ДГС-лазеры. Если расположить слой с более узкой запрещённой зоной (активная область) между двумя слоями с более широкой запрещённой зоной, будет создана т. наз. гетероструктура. Лазер, её использующий, называют лазером на двойной гетероструктуре (ДГС-лазер, или “double heterostructure”, DHS-laser). Такая структура образуется при соединении арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs). Достоинство таких лазеров состоит в малой толщине среднего слоя – активной области, где локализуются электроны и дырки: свет дополнительно отражается от гетеропереходов, и излучение будет заключено в области максимального усиления.

Если с двух сторон кристалла ДГС-лазера добавить ещё два слоя с меньшим показателем преломления по сравнению с центральными, то образуется напоминающая световод структура, более эффективно удерживающая излучение (ДГС-лазер с раздельным удержанием, или “separate confinement heterostructure”, SCHS-laser). Большинство лазеров, произведённых в последние десятилетия, изготовлены именно по такой технологии. Развитие современной оптоэлектроники, солнечной энергетики происходит на основе квантовых гетероструктур: в т. ч. с квантовыми “ямами”, квантовыми “точками”.

5.5.3. РОС - и ВРПИ-лазеры. В лазерах с распределённой обратной связью (РОС или “distributed feedback”–DFB‑laser) в районе p-n перехода наносится система поперечных рельефных “штрихов”, образующих дифракционную решётку. Благодаря этой решётке излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор, и на ней происходит генерация, т. е. осуществляется стабилизация длины волны излучения (лазеры для многочастотной волоконно-оптической связи).

Полупроводниковый “торцевой” лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла и называемый лазером “с вертикальным резонатором и поверхностным излучением” (ВРПИ-лазер, или “vertical cavity surface-emitting”: VCSE‑laser), имеет симметричную диаграмму направленности излучения с малым углом расходимости.

В активной среде полупроводникового лазера может достигаться очень большое усиление (до 104 см-1), благодаря чему размеры активного элемента П. л. лазера исключительно малы (длина резонатора–50 мкм…1 мм). Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются: простота управления интенсивностью путём изменения величины тока, малая инерционность (~10‑9 с), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне от УФ, видимого до среднего ИК. В то же время по сравнению с газовыми лазерами полупроводниковые отличаются относительно низкой степенью монохроматичности и когерентности излучения и не могут излучать на разных длинах волн одновременно. Полупроводниковые лазеры могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми (с большой шириной активной зоны). Многомодовые лазеры применяются в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие малой расходимости луча. Областями применений полупроводниковых лазеров являются: устройства обработки информации-сканеры, принтеры, оптические запоминающие устройства и др., измерительные устройства, накачка других лазеров (см., выше, разделы 4.7, 5.2 и 5.3), лазерные целеуказатели, волоконная оптика и техника.

Более подробно ознакомиться с проблематикой данного параграфа читатель может с помощью многочисленных специальных изданий, а также глав в учебной литературе, например, [3,5,6].

Задания и упражнения к разделу (модулю) 5

1) Для трёхуровневой схемы лазера (уровни 1, 2, 3) с оптической накачкой уровня 3 из основного состояния 1 путём решения системы кинетических уравнений в квазистационарном случае найдите (n2-n1). Полагайте статвеса всех уровней gi равными. Используйте среды MSMathcad или MSMaple.

2) Для четырёхуровневой схемы лазера (уровни 0, 1, 2, 3) с оптической накачкой уровня 3 из основного состояния 0 путём решения системы кинетических уравнений в квазистационарном случае найдите (n2-n1). Полагайте статвеса всех уровней gi равными. Используйте среды MSMathcad или MSMaple.

3) Определите длину волны -λ излучения, полученного при однократном удвоении основной частоты излучения лазера на ИАГ: Nd3+ (λ1,06мкм).

4) Определите длину волны -λ излучения, полученного при двукратном удвоении основной частоты излучения лазера на ИАГ: Nd3+ (λ1,06мкм).

5) Определите длину волны -λ излучения, полученного при сложении основной частоты (λ1,06мкм) и второй гармоники излучения лазера на ИАГ: Nd3+.

6) Найдите угол среза кристалла (и угол ориентации кристалла относительно нормали к поверхности зеркал твёрдотельного лазера с показателем преломления кристалла nкр в воздухе с показателем преломления n≈1, для того чтобы луч падал из воздуха на торцевую поверхность кристалла под углом Брюстера φБр. ( Излучение при этом будет линейно-поляризованным в плоскости падения.)

7) Нарисуйте шкалу длин волн, перекрывающую видимый диапазон электромагнитных волн. В какую область этого спектра попадают рубиновый, неодимовый без (и с) преобразованием частоты лазер и лазер на родамине 6G? Какому цвету соответствует излучение этих лазеров?

8) Порог разрушения рубинового стержня равен около 20 Дж/см2:

–какую максимальную плотность инверсии населённостей можно попытаться создать в активном элементе, чтобы он еще не разрушился?

–может ли данный стержень быть разрушен собственным излучением, если концентрация активных частиц равна 1,6·1019 см‑3?

–найдите максимально допустимую длину такого стержня, при которой он еще не разрушится.

9) Разработайте схему введения в кювету лазера на красителе лазерного луча накачки вдоль оптической оси кюветы, используя диспергирующий элемент (призму) в резонаторе. Ось кюветы совпадает с оптической осью резонатора лазера.

10) Какую длительность имеют импульсы, генерируемые лазером на основе ИАГ: Nd3+, если его активный элемент представляет собой стержень диаметром 0,5 см, длиной 6 см, инверсия населённостей — 2·1017 см‑3, а выходная мощность излучения составляет 800 кВт?

11) Рассчитайте пиковую мощность импульса рубинового лазера, работающего в режиме модулированной добротности, если инверсия населённостей составляет 5·1017 см‑3, длина резонатора 15 см и потери на отражение и рассеяние за проход - 0,06. Какова при этом минимальная скорость накачки верхнего лазерного уровня, если время жизни уровня 2 мс?

12) Оцените, какой мощности надо взять лампу, чтобы началась генерация в непрерывном режиме лазера на стекле с неодимом. Время жизни верхнего уровня 0,5 мс, пороговая инверсия населённости 1016 см-3, активный стержень имеет объем 10 см3. КПД преобразования электрической энергии лампы в энергию, поглощенную собственно полосами поглощения Nd3+ положите равным 0,04.

13) Показатель преломления GaAs равен 3,4. Определите длину волны света в кристалле, если в вакууме она равна 890 нм. Вычислите коэффициент отражения на поверхности раздела полупроводник-воздух для излучения, выходящего из кристалла. Показатель преломления воздуха считайте равным единице.

14) Чтобы получить от полупроводникового лазерного диода на GaAs импульс излучения мощностью 5 Вт и длительностью 200 нс при температуре 25°С, требуется импульс тока 50 А. Частота повторения импульсов 5 кГц. Падение напряжения на диоде во время импульса 0,2 В:

–вычислите КПД лазера.

–чему равен коэффициент заполнения импульса (отношение суммарной длительности генерации к полному времени работы лазера)?

Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу (модулю) 5

5.1. В 3-х уровневой схеме лазера с оптической накачкой требуемое для генерации соотношение для скоростей релаксации уровней, имеет вид:

А) w32 << w21, w32 >> w31 Б) w32 >> w21, w32 <<w31

В) w32 >> w21, w32 >> w31

5.2. В 4-х уровневой схеме лазера с оптической накачкой требуемые для генерации соотношения для скоростей релаксации уровней имеют вид:

А) w32 >> w21, w10 >> w21 Б) w32 << w21, w10 >> w21

В) w32 >> w21, w10 << w21

5.3. Рубиновый (Al2O3:Cr3+) лазер работает по следующей схеме:

А) 2-х уровневой Б) 3-х уровневой В) 4-х уровневой

5.4. Для рубинового лазера на оси частоты:

А) полосы поглощения (оптической накачки) находятся левее линии его излучения

Б) полосы поглощения находятся правее линии его излучения

В) полосы поглощения совпадают с линией его излучения

5.5. Линия излучения рубинового лазера на оси длин волн:

А) находится левее его полосы поглощения (оптической накачки)

Б) находится правее его полосы поглощения

В) совпадает с полосой поглощения

5.6. EDFA (SiO2:Er3+ квантовый усилитель) работает по следующей схеме:

А) 2-х уровневой Б) 3-х уровневой В) 4-х уровневой

5.7. Накачка квантового усилителя на кварцевом волокне, активированном эрбием (SiO2:Er3+), осуществляется:

А) фононами в кристаллах кварца

Б) пропусканием через волокно электрического тока

В) облучением светом полупроводникового лазера (оптическая накачка)

5.8. Тип лазерного перехода в ИАГ:Nd3+ лазере:

А) электронный Б) колебательно-вращательный

В) между уровнями СТС

5.9. Изображенные на оси частоты:

А) полоса поглощения (оптической накачки) находится левее линии излучения неодимового лазера

Б) находится правее линии излучения неодимового лазера

В) полоса поглощения и линия излучения совпадают

5.10. Изображенные на оси длин волн:

А) полоса поглощения (оптической накачки) находится левее линии излучения неодимового лазера

Б) находится правее линии излучения неодимового лазера