ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 33
Скачиваний: 0
ослабляется атмосферой, потому что соответст вует окну прозрачности атмосферы. Поэтому применение таких лазеров особенно перспек тивно для целей связи.
Основные преимущества газовых лазеров— непрерывный и стабильный режимы работы, небольшая угловая и спектральная ширина излучения, высокая степень когерентности. Основной их недостаток (не считая лазеров на СОг)—это сравнительно малая мощность и низкий коэффициент полезного действия.
Полупроводниковые лазеры. Создание кван товых генераторов на полупроводниках не только расширило круг веществ, пригодных для генерации света, но и открыло новые воз можности получения активной среды, управ ления частотой и интенсивностью генерируе мого излучения.
Впервые на возможность использования полупроводников в лазерах указали в 1959 г. советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул и Ю. М. Попов. В 1962 г. ленинградские физики во главе с Д. Н. Наследовым зафиксировали создание инверсной населенности в полупро водниковых диодах из арсенида галлия. К кон цу 1967 г. была получена генерация на 24 по лупроводниковых кристаллах.
Активная среда в полупроводниках может быть создана различными путями: при оптиче ском возбуждении, с помощью пучка электро нов и при пропускании электрического тока через ц-п-переход диода (см. рис. на стр. 37).
В отличие от атомов и ионов полупровод ники характеризуются не узкими энергетиче скими уровнями, а широкими зонами. Все
36
нижние зоны заполнены электронами. Послед няя из заполненных зон называется валент ной, выше нее расположена зона прово димости. Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. Если электро ну, находящемуся в валентной зоне, сообщить
Схема полупроводникового лазера
энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, то он переходит в зону проводимости. Образовавшаяся на его месте вакансия назы вается дыркой. Она ведет себя в электриче ском поле так же, как и электрон, но с поло жительным зарядом.
Электрон и дырка, находясь в одной точке кристалла, соединяются, или рекомбинируют. При этом либо испускается квант света, либо избыточная энергия передается кристалличе ской решетке. Получение активной среды в полупроводниках сводится к одновременному созданию высокой концентрации электронов и дырок в некотором объеме кристалла.
В качестве источников для оптической на
качки |
обычно используются твердотельные |
|
и полупроводниковые лазеры. |
||
■При |
бомбардировке |
полупроводниковой |
пластины пучком быстрых |
электронов послед |
37
ние проникают в глубь кристалла, сталкива ются с атомами и порождают электронно-ды рочные пары. Чем больше энергия электронов, тем больше глубина проникновения. Однако, чтобы не разрушать кристалл, ограничива ются энергиями примерно в 200—500 кило- электрон-вольт.
Высокий коэффициент усиления в полупро водниках позволяет создать лазеры в виде излучающих зеркал значительной площади. Серебряное зеркало покрывается полупровод никовой пленкой, на которую наносится про светляющее покрытие. Преимущество такой системы связано с возможностью быстрого от вода тепла от тонкой пленки, большой мощ ностью излучения и малым углом расходи мости луча.
Остановимся более подробно на лазерных диодах, перспективных для практического при менения.
Полупроводниковый диод представляет со бой кристаллическую пластинку толщиной около 0,1 мм и площадью в несколько квадрат ных миллиметров (см. рис. на стр. 37). С обеих сторон к пластинке припаяны электрические контакты. Сама пластинка неоднородна и со стоит из двух частей, обладающих благодаря наличию примесей электронной (/г-область) и дырочной (/э-область) проводимостью. Гра ница раздела между двумя областями и на зывается р-л-переходом. Толщина области перехода ничтожна — тысячные доли мил лиметра, но именно она играет роль ак тивной среды, в пей генерируется излу чение.
38
Если к диоду приложить электрическое напряжение, то электроны и дырки устремятся друг к другу и будут соединяться, или, как го ворят, рекомбинировать, а освобождающаяся при этом энергия выделится в виде квантов света. Сделав параллельными две грани кри сталла, перпендикулярные границе между об ластями (путем скалывания или шлифовки), можно при достаточно высокой плотности то ка получить генерацию. Первые диоды из арсенида галлия генерировали в импульсном режиме только при высоких плотностях тока (до 8000 а!см2) и низких температурах на дли не волны 0,85 мкм. Спектральная ширина гене рируемого излучения имеет порядок несколь ких гигагерц, а расходимость луча, наибольшая в плоскости, перпендикулярной к плоскости пе рехода, и составляет 4°. В последнее время по лучена импульсная генерация при комнатной температуре и непрерывная — при более низ ких температурах. Однако большая расходи мость луча по-прежнему остается одним из серьезных недостатков этих систем. В то же время полупроводниковые генераторы обла дают рядом важных преимуществ по сравне нию с лазерами других типов.
Во-первых, диоды — единственные прибо ры, в которых происходит прямое преобразо вание электрической энергии в генерируемое излучение без промежуточных процессов на качки. Практически при каждой рекомбина ции электрона и дырки возникает квант света. Коэффициент полезного действия диодов по этому чрезвычайно высок и теоретически мо жет приблизиться к 70%.
39
Во-вторых, генерацию диодов легко моду лировать переменным током с частотой в не сколько тысяч мегагерц, что открывает широ кие возможности их практического приме нения.
В-третьих, полупроводниковые лазеры ми ниатюрны, просты и могут служить в течение длительного времени.
Наконец, с помощью механических, элек трических или магнитных воздействий, а так же путем изменения процентного содержания различных компонентов кристалла можно варьировать частоты генерируемого излучения в весьма широких пределах. Например, изме нение состава в системе арсенид индия—фос фид индия приводит к изменению длины волны генерируемого света от 0,9 до 3,2 мкм. Правда, легкая изменяемость частоты генерации в ря де случаев может оказаться отрицательным свойством, так как требует принятия спе циальных мер для стабилизации длины волны генерируемого излучения.
Генерация удвоенной частоты. Можно ли с помощью одного луча света как-то повлиять на распространение другого луча? Мы при выкли к тому, что лучи света распространя ются в веществе, не оказывая влияния друг на друга, а оптические свойства вещества не зави сят от интенсивности проходящего через него излучения.
Взаимодействие света с веществом дает возможность лишь выявить, но не изменить та кие характеристики вещества, как показатель преломления и поглощения. Количество погло щенного и рассеянного света, а также яркость
40
фотолюминесценции обычно изменяются прямо пропорционально интенсивности возбуждаю щего (падающего) света.
Однако из электродинамики, как классиче
ской, так |
и квантовой, следует, что свойства |
|
вещества |
не зависят |
от взаимодействующего |
с ним света только в |
первом (линейном) при |
ближении, которое справедливо при неболь ших мощностях излучения.
Лазеры дают световые пучки такой высо кой мощности, при которой показатели пре ломления и поглощения начинают зависеть не только от свойств самого вещества, как это имеет место в линейной оптике, но и от интен сивности света. Кроме того, если мощные све товые лазерные пучки попадают в одно и то
же |
место, то они начинают |
влиять друг |
|
на |
друга — взаимодействовать |
между |
собой. |
В |
частности, может появиться |
свет |
других |
частот, т. е. другого цвета. При распростране нии световых пучков высокой мощности обна руживается ряд новых явлений, так называе мых «нелинейных оптических эффектов».
Вопросу взаимодействия мощных световых потоков с веществом большое внимание уде лял С. И. Вавилов, который и ввел термин «нелинейная оптика». Еще в довоенные годы С. И. Вавилов подчеркивал, что нелинейные явления имеют место не только внутри звезд при колоссальных плотностях световой энер гии, но и в лабораторных условиях. Совместно с В. Л. Левшиным ему впервые удалось наблюдать незначительное уменьшение коэф фициента поглощения урановых стекол, облу чаемых светом конденсированной искры.
41
В дальнейшем оказалось, что такое «просвет ление» вещества можно получить и при не большой интенсивности света. Для этого необ ходимо лишь выбирать вещества, у которых имеются устойчивые возбужденные состояния.
С появлением лазеров круг нелинейных эффектов резко расширился, а нелинейная оптика выделилась в самостоятельную бурно развивающуюся отрасль науки.
В 1962 г. П. Франкен (США) направил сфокусированный луч рубинового лазера на пластинку из кристаллического кварца. Лазер работал в импульсном режиме при продолжи тельности импульса 0,001 сек и энергии 3 дж. При этом было обнаружено, что из пластинки выходит не только красный свет рубинового генератора с длиной волны К=0,6943 мкм, но и ультрафиолетовое излучение с длиной вол ны в два раза меньшей К = 0,3471 мкм. Таким образом, под действием мощного потока света в кварцевом кристалле происходило удвоение частоты электромагнитной волны (см. цвет ную вклейку I).
Позднее удвоение частоты было получено
ина дигидрофосфатах калия КН2Р 0 4 и аммо ния МН4Н2Р 0 4, называемых сокращенно кри сталлами КЭР и АОР. В другом опыте на пластинку фокусировали лучи от двух руби новых лазеров, работающих при разных тем пературах, вследствие чего генерируемые дли ны волн отличались на 0,001 мкм. На выходе они получили не только удвоенные частоты, но
иизлучение с частотой, равной сумме частот, генерируемых двумя лазерами. С помощью
рубинового п неодимового ОКГ, работающих
42
на частотах л;р и Гп, |
и кристаллов КОР молено |
получить излучение |
с частотами 2\'р, 2\’ш |
\’р + \-н и \;р—V,,. Это |
явление, совершенно от |
сутствующее в линейной оптике, получило название смешение света.
Характерно, что при удвоении частоты и смешении света получаемое излучение новых длин волн так же когерентно, как и излучение лазеров. Следовательно, нелинейные эффекты дают возможность значительно расширить на бор частот когерентного света и продвинуться в сторону ультрафиолетового и рентгеновского излучения без создания активной среды для частот, соответствующих этим областям спектра.
Явление удвоения и многократного увели чения частоты, обнаруженное впоследствии и на других веществах, было детально исследо вано учеными Московского университета Р. В. Хохловым и С. В. Ахмановым. Они обосновали возможность использования этого явления в сочетании с вынужденным комбина ционным рассеянием для получения набора частот когерентного излучения в широком спектральном интервале и создали так назы ваемый параметрический генератор с пере страиваемой частотой.
В первых опытах излучение с удвоенной частотой составляло одну миллиардную долю процента от энергии падающего света. Потом оказалось, что в дигидрофосфате калия и ряде других кристаллов коэффициент преобразо вания частоты на много порядков больше и достигает 20—30%• Эффективность удвоения частоты определяется не только материалом
43
пластинки, но и зависит от ориентации кри сталла по отношению к направлению распро странения падающего луча. Сотрудники Ин ститута физики Академии наук БССР Б. В. Бокуть и Н. Г. Хаткевич нашли такую ориен тацию кристалла КБР, при которой эффектив ность преобразования света наибольшая.
Мы не имеем возможности остановиться здесь на всех нелинейных эффектах. Упомянем лишь в заключение о самофокусировке луча— явлении, которое до создания лазеров не на блюдалось.
Обычно диаметр расходящегося пучка всегда увеличивается по мере распростране ния его в однородной среде. Оказалось, что мощные расходящиеся лазерные пучки при распространении в некоторых однородных средах могут не расширяться, а, наоборот, сжиматься. Происходит это потому, что ве щество, которое при обычно применяемых плотностях света оптически однородно, под действием мощного лазерного излучения ста новится неоднородным. Показатели преломле ния в центре луча и на периферии оказыва ются различными. Свет распространяется та ким образом, как будто на его пути находится не однородное вещество, а система линз. В ре зультате этого происходит так называемая самоканализация луча, когда свет распростра няется вдоль узкого канала (см. рис. на стр. 45).
Новые источники света. Сравним теперь параметры и характеристики излучения лазе ров с излучением привычных нам тепловых источников света. В таких источниках атомы
44
Самоканализация лазерного луча. Штрихами пока заны границы луча при отсутствии нелинейных эффектов
и молекулы испускают свет во все стороны и в широком спектральном интервале независимо друг от друга. Излучение отдельных точек теп ловых источников не связано между собой, не согласованно, как говорят физики, некоге рентно. Оптические квантовые генераторы, на оборот, дают остронаправленное излучение с высокой степенью когерентности. Последнее означает, что излучение, испущенное различ ными точками оптического квантового генера тора в разные моменты времени, связано меж
ду собой.
Как уже отмечалось, угол расхождения излучения генераторов на твердом теле со ставляет минуты, а газовых лазеров — доли минуты. Чтобы получить от тепловых источ ников света узкие и направленные пучки, используют сложные системы линз и зеркал—
45