Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

напряжение высокой частоты от специального генератора, ра­ ботающего на частоте 30 МГц. С помощью этого поля и созда­ ется электрический разряд, возбуждающий атомы гелия. Гене­ рация, а следовательно, излучение будут наблюдаться до тех пор, пока не выключат высокочастотный генератор.

Основное отличие газовых генераторов от генераторов на твердом теле состоит в разных методах возбуждения активного вещества п подвода энергии накачки. Вместо световой энергии в газовых генераторах используется электрический разряд. Преи­ мущество этих генераторов заключается в способности их рабо­ тать непрерывно при небольших мощностях подводимой энергии (50—100 Вт) без охлаждения. Напряжение питания 0,3—3 кВ.

Излучение газовых оптических квантовых генераторов обла­ дает высокой монохроматичностью и когерентностью. Так, на­ пример, ширина спектральной линии в генераторе на смеси ге­ лий — неон составляет одну десятитысячную часть ширины ли­ пни излучения генератора на рубине.

Ио н н ы е ОКГ

Излучение в этом типе газовых генераторов возникает за счет переходов между энергетическими уровнями попов аргона, крип­ тона. ксенона пли ионов металлов. Для получения возбужденных попов сначала осуществляют ионизацию газов (т. е. отщепление

Рис. З.М. Устройство ионного ОКГ:

1—газоразрядная трубка с аргоном: 2—капилляр; 3—окно для выхода из­ лучения; -/—магнит; 5, 6—зеркала резонатора: 7—отводноП канал; К—ка­ тод; Л—анод

от атомов электронов) путем пропускания через газ большого постоянного тока плотностью до тысяч ампер на квадратный сантиметр.

Из всех ионных ОКГ наибольшее применение нашли аргоно­ вые генераторы. Устройство аргонового ОКГ показано на рис. 3.11. Генератор состоит из кварцевой или керамической трубки/ с капилляром 2. Капилляр имеет диаметр 5—10 мм п длину от 25 см до 4—5 м. В трубку вварены катод К и анод А. На концах

80

трубки монтируются окна 3 для выхода лазерного излучения. На трубку 1 надет постоянный или переменный магнит 4. Резонато­ ром служат зеркала 5 и 6. Генератор работает следующим об­ разом. При включении питания катод излучает электроны, ко­ торые под воздействием сильного электрического поля между катодом п анодом двигаются к аноду, возбуждая в капилляре электрический разряд — ионизацию газа. Возникшие в резуль­ тате разряда ноны аргона (положительно заряженные атомы), сталкиваясь с быстрыми электронами тока разряда, возбужда­ ются и переходят на верхние энергетические уровни, создавая инверсное состояние. Быстрый лавинообразный переход * ионов на ипжкпе уровни вызывает лазерное излучение на длинах волн 0,488 и 0,515 мкм. Поскольку при этом мощность излучения со­ ставляет достаточно большую величину (десятки ватт), для пре­ дупреждения перегрева капилляра его охлаждают с помощью жидкости пли прокачкой воздуха. Магнит 4 служит для созда­ ния магнитного поля, увеличивающего концентрацию электронов в центре капилляра для ускорения ионизации газа. Движение электронов от катода к аноду вызывает и перемещение газа в этом же направлении. Для компенсации этого перемещения слу­ жит дополнительная трубка 7, обеспечивающая обратную цирку­ ляцию газа. Аргоновые ОКТ могут работать и в импульсном ре­ жиме с мощностью излучения до сотен киловатт.

Ионные ОКГ являются самыми мощными источниками коге­ рентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах воли (до 1 кВт в непрерывном режиме).

М о л е к у л я р н ые ОКГ

Из молекулярных газовых ОКГ наиболее мощным излучени­ ем обладают квантовые генераторы, работающие на двуокиси углерода С 02. Эти генераторы широко применяются в науке, ме­ дицине, промышленности и оптической локации. Рабочим веще­

лучения в молекулярном ОКГ аналогичен гелийнеоновому гене­ ратору. Только здесь свободные электроны тока разряда воз­ буждают не атомы гелия, а молекулы азота 1Ч2. Возбужденные молекулы азота при столкновении с молекулами С02 возбуждают их, заставляя переходить на более высокие уровни и создавать там инверсную населенность. Обратный переход молекул С 02 сопровождается мощным лазерным излучением в инфракрасном диапазоне на длине волны 10,6 мкм. Если вспомнить, что эта длина волны лежит в «окне» прозрачности атмосферы, то мож­ но понять, почему ОКГ на С02 находят широкое применение в технике, в том числе и в локации.

* Такой переход вызывается как и в твердотельном и неоновом ОКГ спонтанным переходом одного из ионов.

81

Для повышения мощности излучения рабочую газовую смесь непрерывно заменяют повои, прокачивая ее между зеркалами резонатора. ОКГ на С02, работающие в непрерывном режиме, обеспечивают мощности излучения до 1 кВт с одного метра дли­ ны разрядного промежутка газа. Генераторы на СОо могут ра­ ботать и в импульсном режиме. Так как время нахождения молекул СОа в возбужденном состоянии (на верхнем уровне) со­ ставляет ~10~3 с, то оказалось, что если па это время выклю­ чить (отвернуть) одно из зеркал резонатора, то можно накопить очень большое число возбужденных частиц. После этого, если

Рис. 3.12. Схема работы газодинамического ОКГ:

быстро включить зеркало резонатора, то все возбужденные мо­ лекулы разом перейдут в основное состояние, излучив в корот­ кое время мощный импульс света. Мощность такого импульса может достигать 100 МВт при длительности импульса 90—100 нс. Такой мощности вполне достаточно для резки гранита, сварки и резки металлов.

В качестве затвора используется вращающаяся призма из NaCl, помещаемая между лучом и «глухим» зеркалом резона­ тора.

Одним из видов газовых ОКГ является создание газодинами­ ческих генераторов. В этих квантовых генераторах лазерное из­ лучение получается за счет пропускания газовой смеси со сверх­ звуковой скоростью через сопло Лаваля.

Схема работы газодинамического ОКГ представлена на рис. 3.12. Генератор состоит из камеры сгорания 1, сопла 2, рабочей камеры 3 и заркал резонатора 4. В камеру сгорания поступает жидкое топливо и окислитель. При сгорании топлива получает­ ся углекислый газ С02. Горячий углекислый газ смешивается с

82

азотом N2 и водяным паром Н2 в определенной пропорции, в ре­ зультате чего получается высокотемпературная (Т=1400 К) га­ зовая смесь. В этой смеси за счет высокой температуры молеку­ лы СОо возбуждаются и переходят на более высокие энергетиче­ ские уровни.* Тепловое равновесие системы достигается при более высокой населенности верхних уровней возбужденными мо­ лекулами, чем это имеет место при обычных температурах. Од­ нако при этом число молекул на нижних уровнях все же превы­ шает населенность верхних уровней, что исключает появление индуцированного излучения. Если создать условия, при которых ннжнне уровни обеднялись бы, а верхние сохраняли свою насе­ ленность, то возникнет инверсная населенность, а следователь­ но, и условия для индуцированного излучения. В газодинамиче­ ском 01\Г достигается это следующим образом. Горячая смесь газов под большим давлением прокачивается со сверхзвуковой скоростью через сопло 2. За соплом в области А рабочей камеры 3 происходит быстрое расширение газовой смеси, сопровождаю­ щееся ее охлаждением до 7 = 354 К. Понижение температуры [см. формулу (3.3)] приводит к уменьшению возбужденных мо­ лекул С02. Но вследствие того, что верхний уровень возбужде­ ния имеет большее время жизни (нахождение на нем молекул С02), чем нижний, населенность нижнего уровня падает быстрее, чем верхнего, и уже на расстоянии 3 см от сопла она практиче­ ски исчезает. Возникает инверсная населенность, приводящая

Величина энергии стимулированного излучения газодинами­ ческого ОКГ определяется расходом топлива и может достигать

окг.

§3.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ПКГ)

В1962—1963 гг. были созданы принципиально новые кванто­ вые генераторы инфракрасного излучения — генераторы с ис­ пользованием в качестве активного вещества полупроводнико­ вых материалов. Разработка таких генераторов явилась новым

этапом в развитии квантовой электроники и инфракрасной тех­ ники. Большой вклад в развитие полупроводниковых генерато­ ров внесен советскими учеными. В 1963 г. Б. М. Вулу, Ю.М. По­ пову, О. Н. Крохину, Д. Н. Наследову и др. за разработку тео­ рии и создание полупроводниковых квантовых генераторов была

* Возбуждению помогает наличие азота, так же как и в генераторе на

СО;.

83

присуждена Ленинская премия. Полупроводниковые генераторы имеют габариты и вес, в сотни и тысячи раз меньшие, чем твер­ дотельные п газовые ОКГ. Поэтому этому типу ОКГ уделяется большое внимание. Принцип действия ПК.Г основан на некото­ рых физических явлениях и свойствах полупроводников, сочета­ ние которых определенным образом и создает условия для гене­ рирования излучения.

N

p S i

О О

-©--

Рис. 3.13. Схемы энергетических уровней полупроводника:

а—обычного; невырожденного; /1 -акцепторы; Л —доноры

Известно, что для получения когерентного индуцированного излучения необходимо создать состояние с инверсной населен­ ностью активных частиц. В полупроводниковых материалах ак­ тивными частицами являются электроны. В любом полупровод­ никовом материале, как известно, существуют валентная зона и зона проводимости, между которыми лежит запрещенная зона.* Расположение этих зон по энергиям изображено на рпс. 3.13, а. Валентная зона ограничена верхней энергией ег, а нижняя гра­ ница зоны проводимости — энергией ес. Ширина запрещенной зоны измеряется энергией Дв. В полупроводниках Де лежит в пределах 1—2-10—3 до 3 эВ (у диэлектриков Де = 3-4-10 эВ). Как видно из рисунка, зоне проводимости соответствуют большие энергетические состояния по сравнению с валентной. Поэтому вследствие того, что электроны в нормальном состоянии стре­ мятся занять уровни с наименьшей энергией, валентная зона оказывается заполненной электронами, а зона проводимости — пустой. Однако электрон может перейти и в зону проводимости,

* Запрещенная зона, или зона запрещенных состоянии,— это энергети­ ческий зазор, разделяющий валентную зону от зоны проводимости (возбуж­ денных состояний). Ширина запрещенной зоны характеризует условный пре­ дел разделения веществ па полупроводники н изоляторы.

84

если ему сообщить дополнительную энергию (возбудить), превы­ шающую энергию Де. Это достигается возбуждением электронов нагревом, облучением светом или воздействием электрического пли магнитного поля. Получив дополнительную энергию, элект­ рон преодолевает запрещенную зону и переходит на одни из уровнен зоны проводимости (например, электрон et на рис. 3.13, а). При этом в валентной зоне образуется незанятое ме­ сто — дырка. Под действием электрического поля дырка пере­ мещается к отрицательному полюсу, т. е. ведет себя как частица с положительным зарядом, равным по величине заряду элект­ рона. Возбужденный электрон через некоторое время, стремясь занять уровень с наименьшей энергией, самопроизвольно (спон­ танно) переходит вниз на незанятый уровень в валентной зоне (электрон е2 на рис. 3.13, а). При переходе в валентную зону электрон проводимости заполняет незанятое место — дырку.

Этот процесс называется рекомбинацией. В процессе реком­ бинации электрон, перейдя с более высокого энергетического уровня, теряет энергию. Потерянная порция (квант) энергии излучается электроном в виде фотона с энергией /iv= e0—еДг где га и ед — энергии исчезнувшего электрона проводимости и дырки. Легко понять, что для получения непрерывного процесса излучения фотонов необходимо иметь избыток возбужденных электронов в зоне проводимости по отношению к валентной зоне, т. е. создать инверсию населенностей. Достигается это следую­ щим образом.

Вводя в запрещенную зону полупроводника примесные части­ цы, способные отдавать (доноры) или забирать (акцепторы) электроны, получают состояние, показанное на рис. 3.13, б. При­ меси, помещенные вблизи уровня ес, легко обеспечивают запол­ нение электронами нижних уровней (до уровня рэ) зоны прово­ димости; частицы примесей А, расположенные вблизи валентной зоны, свободно забирают из нее электроны, в результате чего верхние уровни валентной зоны (до уровня рд) оказываются за­ полненными только дырками. Такое состояние полупроводника называется вырожденным, (рпс. 3.13, б). Из рис. 3.13, б видно, что в вырожденном полупроводнике электроны валентной зоны могут быть переведены в зону проводимости только на уровни выше ро, так как все лежащие ниже уровни уже заняты электро­

85

то такие кванты (фотоны, если излучение оптическое) не могут вызвать электронных переходов из валентной зоны в зону про­ водимости и, следовательно, не могут поглотиться в полупровод­ нике.

О

Рис. 3.14. К принципу действия инжекциомного ПК.Г:

В то же время эти фотоны могут «столкнуть» электроны из зоны проводимости в валентную зону и вызвать там рекомбина­ цию их с дырками. При рекомбинации электронов с дырками

.излучаются новые фотоны, точно совпадающие по своим свойст­ вам с первичными. Отсюда следует, что такой полупроводник может усиливать свет, т. е. быть полупроводниковым квантовым генератором (ПКГ). Указанным условиям наилучшим образом

86

удовлетворяет полупроводниковое соединение арсенид галлия —

GaAs.

Если соединить вместе два полупроводниковых кристалла ив GaAs, одни из которых имеет я-проводпмость, а другой р-прово- димость* (рис. 3.14, а), и подключить к ним источник питания,, как это показано на рис. 3.14, б, то в месте соединения полупро­ водников возникнет диффузия частиц: избыток электронов про­ водимости в я-области будет стремиться перейти в p-область, где их меньше (вправо на рис. 3.14, б); дырки будут стремиться пе­ рейти в я-область (влево на рисунке). Таким образом образует­ ся область р■—/i-перехода, охватывающая часть я-областп и часть p-области полупроводника. В области р—я-перехода электронов в зоне проводимости будет больше, чем в валентной зоне, где преобладают дырки. Возникнет инверсия населенностей.

Стремясь занять положение с наименьшими уровнями энер­ гии, электроны начнут спонтанно переходить в зону проводимо­ сти. рекомбинируя с дырками и отдавая избыточную энергию в виде фотонов света. Для поддержания процесса, т. е. создания нового потока электронов проводимости в я-области и дырок в- p-области служит источник питания U. Этот источник осущест­ вляет инжекцию («впрыскивание») носителей тока в р—я-пере- ход, вынуждая рекомбинировать все новые и новые пары элект­ ронов и дырок. Ток, осуществляющий инжекцию носителей в р—я-переход, называется током инжекции, а сами генераторы— инжекционным н ПКГ.

Однако в арсениде галлия первоначально испускаемые в про­ цессе рекомбинации фотоны имеют различные энергии (частоты) и направления движения, а распределение их по времени хао­ тично; такие фотоны создают некогерентное излучение. Большая часть фотонов вылетает в направлениях, которые выводят их из р—я-перехода. Оставшиеся фотоны, двигаясь в плоскости р—я- перехода, где им.еется состояние инверсной населенности, ока­ жутся способными вызывать новые фотоны путем перевода элек­ тронов в валентную зону. Таким образом, первоначальный спон­ танный фотон, двигаясь вдоль перехода, вызовет поток новых фотонов, пока не достигнет поверхности перехода и не вылетит за его пределы. Это приводит к тому, что излучение сосредото­

го он имеет //-проводимость и называется полупроводником //-типа. Получе­ ние //-проводимости обеспечивается преобладанием в полупроводнике донор­ ных примесей, а //-проводимости — акцепторных примесей.

** Некогереитпые излучатели, получившие название светодиодов, нашли

широкое применение в современной технике. В светодиодах излучение начина­ ется уже при напряжении в несколько вольт, достигая мощности в единицы, максимум, десятки милливатт.

87

•ченпя необходимо заставить первоначальные фотоны возвращать­ ся в область р—«-перехода, чтобы они, неоднократно проходя через область с инверсной населенностью, подвергались много­ кратному усилению. Для этой дели надо ввести обратную связь.

В твердотельных и газовых генераторах это достигается объ­ емным резонатором с отражающими зеркальными поверхно-

Рис. 3.15. Схема полупроводникового ОКД (п) и спектр его получе­ ния (б):

Л , / ; — Т О К И Н И Ж С К Ц И И

•стями. В арсениде галлия таким резонатором служат полирован­ ные поверхности А п Б кристалла (рис. 3.15, а), перпендикуляр­ ные плоскости р—«-перехода. В арсениде галлия отражательная способность границы раздела между кристаллом и воздухом со­ ставляет 35%; при полировке она еще больше увеличивается, вследствие чего снижается порог возбуждения. Полированные поверхности должны быть строго параллельны друг другу. Те­ перь уже и спонтанное излучение, отражаясь от полированных граней, становится направленным и вводится в фазу с общим

А/см2. Это во много раз больше порогов возбуждения твердо­ тельных и газовых генераторов.

Наличие больших мощностей возбуждения приводит к пере­ греву кристалла. Для уменьшения перегрева импульсы тока по­ даются кратковременными посылками от миллисекунд до микро­ секунд, а кристалл охлаждается до температуры жидкого азота (78 К). При комнатной температуре ПКГ из GaAs может давать излучение мощностью до 100 Вт в импульсе при частоте следова­ ния импульсов до 5 кГц и до 50 мВт в непрерывном режиме. Для увеличения мощности излучения полупроводниковые гене­

88

раторы собираются в решетки, с помощью которых получают излучение мощностью до 1000 Вт.

§3.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Квантовые генераторы могут быть охарактеризованы сле­ дующими основными параметрами:

—мощностью или энергией излучения;

—коэффициентом полезного действия (к.п.д.);

—направленностью пли шириной луча;

—длиной полны излучения и полосой излучения;

—когерентностью.

1.Мощность (энергия) излучения,

к.п.д. оптических квантовых генераторов

Мощность (энергия) излучения является важнейшим пара­ метром оптического квантового генератора. При любом исполь­ зовании ОКГ — в медицине, технике или военном деле — в пер­ вую очередь потребителя интересует мощность ОКГ. Несмотря на важность этого параметра и более чем десятилетнюю прак­ тику разработок ОКГ, до сего времени нет установившихся про­ стых методов и математических выражений для подсчета мощ­ ности пли энергии излучения ОКГ. Все теоретические формулы сложны, требуют знания многих коэффициентов. Поэтому на практике пользуются экспериментальными замерами параметров излучения (длительность импульса, энергия в джоулях пли ка­ лориях) п по ним уже рассчитывают мощность излучения.

В настоящем разделе предлагается быстрый п достаточно точный (15—20%) метод расчета мощности (энергии) излуче­ ния твердотельных п полупроводниковых ОКГ по генерационным характеристикам. Генерационная характеристика представляет собой зависимость выходной энергии излучения Ри от энергии возбуждения (накачки) Р„. На рис. 3.16 изображены генераци­ онные характеристики (построенные по экспериментальным дан­ ным) рубинового ОКГ (кривая /), ОКГ на стекле с неодимом (кривая 2) и полупроводникового ОКГ на GaAs (кривая 3). Пересечение кривых с осью абсцисс дает значения пороговых энергий возбуждения Ра. Для ПКГ это будет пороговым значе­ нием тока инжекции /п (на графике по осп абсцисс отложено значение тока возбуждения /„).

Из рисунка легко можно вывести зависимости ЯИ=/(Я„). Для

где ki — коэффициент, равный для рубиновых и мощных ОКГ на стекле 0,01—0,015;

Рп — пороговая энергия накачки, составляющая -^МОО—

89