Подставляем выражение (9.25) в (9.24 а). Тогда
G c p ( P ) = ^ Р ( П > Р - +
+ ѵ ( 1 ~ / ) - Г ^ - ] Ь |
(9-26) |
Из выражения (9.26) видно, что коэффициент усиления как функ ция и в интервале от ѵ2 до ѵх представляет собой прямую, наклон ко торой определяется коэффициентом в квадратной скобке. Если выра жение в квадратной скобке отрицательно, т. е.
то коэффициент усиления в области ѵ2 < ѵ < ѵх ведет себя так, как показано на рис. 9.11, а, и максимум среднего коэффициента усиле ния получается в точке ѵ2. Если же
то кривая коэффициента усиления в области ѵ2 < ѵ < ѵх (прямая) меняет свой наклон (жирная пунктирная линия 4) и максимум сред него коэффициента усиления диода смещается в точку ѵх. Ниже будем считать условие (9.27а) выполненным и, следовательно, примем, что максимум среднего коэффициента усиления диода находится в точке
fmax |
= |
ѵх = Nei. |
Подставляя это значение ѵтах |
в выражение |
(9.26), |
получаем максимальный |
коэффициент усиления |
диода: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т-УѴ*' |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ntl [ ( 1 - П ( 1 + ^ ф ' ) - а Л \ |
|
|
(9.28) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь полезно отметить, что условие (9.27а) можно |
переписать |
еще |
в виде |
ІѴ*' > ^ 1 " ^ ^ 1 . Это |
означает, |
что для того, |
чтобы |
максимум |
коэффициента |
усиления |
приходился |
на |
точку |
ѵх |
= |
Nei, |
число фотонов |
в резонаторе должно превышать некоторую |
величину. |
(Величина N&' |
пропорциональна числу фотонов в резонаторе УѴ*, но |
ниже |
для |
краткости будем называть |
так величину |
JV*'). Если |
же |
/ (1 + |
а) < |
1, то, очевидно, максимум |
коэффициента, усиления |
всегда |
находится в точке ѵх = |
Ner |
|
|
|
|
|
|
|
Теперь используем вид коэффициента усиления части / диода |
(9.24) |
и из первого уравнения (9.23) определим плотность |
электронов |
Ne,. |
Очевидно, поскольку максимум коэффициента усиления находит- |
ся в точке и, = МСі, |
коэффициент усиления части / диода в этой точке |
G, (va = D<n >p0 iVe i |
(1 — / ) |
и первое уравнение |
(9.23) принимает вид |
К ~ |
Nei- |
-î- Z)<n>PvxNeJl |
~f) |
Ni' = 0. |
Решая это равенство относительно NBl |
и вводя, как и раньше, обо |
значение JV*' вместо N$, имеем: |
|
|
1 - г - # * ' ( ! - / )
и, следовательно, максимальный коэффициент усиления диода
G р • |
F x D ( n ) |
і - / ( і + д ) + # ф ' ( і - / ) |
(9.29) |
w max ' |
|
1 +/V*' |
|
Ha рис. 9.И, б показаны две возможные зависимости максималь ного коэффициента усиления от числа фотонов в резонаторе (точнее от величины № ' ) . Кривая Gma x может сначала увеличиваться с ро стом числа фотонов, проходить через максимум и затем спадать (кри вая /) или сразу спадать с ростом Л/*' (кривая 2). Решение в обоих случаях получается (как указывалось выше) при пересечении кривой
Gmax (ІѴ*') с прямой, параллельной оси /V*' [— прямая потерь) .
Из рис. 9.11, б видно, что кривая / дважды пересекается прямой по терь 3, а кривая 2 — всего один раз (прямой 3').
Будем менять потери в резонаторе диода (изменять величину т р е з ) ;
соответственно этому будет меняться |
положение прямых 3 |
или 3', |
причем при увеличении потерь (уменьшение |
величины |
т р е з ) |
прямая |
потерь смещается параллельно самой |
себе, |
пересекая |
ось |
ординат |
в более высоко лежащей точке. При уменьшении потерь прямая потерь смещается вниз (точка пересечения оси ординат понижается).
Итак, посмотрим, как работает диод в зависимости от положения прямой потерь и вида кривой Gmax (#*')• Пусть зависимость Gmax (А/'*') имеет вид 2. Тогда, если прямая потерь 3' пересекает ось ординат выше точки 4, то потери в диоде достаточно велики (больше коэффициента усиления диода в точке /Ѵф ' = 0, т. е. в точке 4). Так как потери пре вышают усиление, в диоде не может возникнуть генерация. Она воз никает лишь тогда, когда потери становятся равными коэффициенту усиления (точка 4). При дальнейшем уменьшении потерь величина /V*' увеличивается. Величина ІѴ*' соответствует точке пересечения прямой 3' с зависимостью Gmax (/V*') (точка 4'). Это означает, что после того как выполнено условие самовозбуждения (прямая потерь проходит через точку 4), при дальнейшем уменьшении потерь увеличивается число фотонов Л/*' в резонаторе диода (от Л/*' = 0 и выше), а следо вательно, и выходная мощность излучения диода. Этот режим возбуж дения называется в теории колебаний «мягкий».
Теперь рассмотрим работу диода в случае, если зависимость Gmax(A/ *') имеет вид 1. Пусть в диоде нет генерации (А/ф ' = 0). Тогда видно, что генерация в диоде не может и возникнуть, пока пря мая потерь 3 не окажется в точке 4. Если прямая 3 лежит выше точки 4,
то коэффициент |
усиления С т а х ( . / Ѵ ф ' = 0) меньше потерь. Между тем, |
если прямая 3 |
лежит даже |
выше точки 4, она пересекает кривую |
Gmax(jV*') дважды (в точках |
4" и 4"'). Это стационарные состояния |
диода. Однако сам диод находится в состоянии Л7*' =- 0, а стационар
ные состояния 4", 4"' |
соответствуют некоторым значениям Л/ф ' (Л/*" |
и Л7 *"), и перевести |
диод из состояния УѴф' — 0 в состояния 4" или |
4"' можно, только создав каким-либо внешним источником в резона торе диода на соответствующей частоте определенное число фотонов Nt" или Ni"'- Если затем внешний источник выключить, то диод будет продолжать работать в соответствующем стационарном состоя нии. Такой режим возбуждения называется «жестким».
Следует отметить, что из двух стационарных состояний 4" и 4"' состояние 4" является неустойчивым и не может быть реализовано. Что же касается состояния 4"', то оно устойчиво, т. е. диод может работать в нем сколь угодно долго.
Таким образом, если зависимость G n P a x (Л?ф') имеет вид /, то раз резной диод может работать в «жестком» режиме. Это означает, что в нем могут реализоваться два устойчивых состояния. Одно из них (Л/*' = 0) лежит ниже порога генерации (если прямая потерь 3 проходит так, как показано на рис. 9.11, б), другое (4"') определяет работу диода в режиме генерации и соответствует «жесткому» режиму возбуждения. Переход из одного состояния в другое можно осуществить импульсом
излучения |
подходящей частоты от какого-либо внешнего источника. |
|
Выясним два вопроса. Во-первых, при каких условиях |
разрезной |
диод может работать в «жестком» режиме, т. е. при каких |
условиях |
зависимость |
G m P x (Л/'*') |
имеет вид 1. Из вида коэффициента |
усиления |
(9.29) ясно, что при 7ѴФ' |
оо GmP a x ->• 0. |
Это |
означает, что функция |
Gmax (Л7*') |
при |
больших |
величинах |
Л/*' |
спадает |
с ростом |
JV*', и, |
следовательно, |
вопрос о том, имеет ли эта функция максимум |
(именно |
этот случай |
нас и интересует), определяется |
знаком |
производной |
|
Л Ѵ ф ' |
|
в |
точке ІѴФ ' |
|
0. Действительно, |
если |
эта |
производная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
положительна, |
то |
кривая |
GmP a x (УѴф') при |
возрастании величины TV*' |
от |
нуля |
нарастает, |
а так как эта же кривая стремится |
к |
нулю при |
Л1 *' |
оо (спадаетпри больших значениях |
/Ѵф '), то где-то в промежутке |
она |
должна |
иметь |
максимум. Дифференцируя |
выражение (9.29), не- |
|
|
|
|
|
|
|
|
dGcp |
(W*') |
|
|
|
|
|
трудно |
показать, |
что |
условие — " ^ ф - |
> 0 в |
точке |
Л?ф ' = 0 |
сводится |
к выполнению |
неравенства |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а№ег + №ei |
[/(1 + а ) ( 1 — / ) — 1 -|-/(1 + а ) ] > 0. |
|
(9.30) |
Которое может быть выполнено лишь тогда, когда выражение в квадрат ной скобке положительно. Нетрудно видеть, что если плотности воз буждения частей диода А'", и Л^, одинаковы, т. е. диод работает как обычный неразрезной диод, то условие (9.30) нельзя выполнить ни при
каких |
обстоятельствах. |
Действительно, |
пусть |
Л/?, = |
№Сг = |
Nê- |
Тогда левая часть неравенства (9.30) принимает вид N° ( 1 + а ) |
(—1—/2), |
т. е. всегда отрицательна. Это означает, что |
кривая |
G,cnpax (.Ѵ*') |
(кривая |
1 на рис. 9.11,6) |
и, следовательно, «жесткий» |
режим |
воз |
буждения возможны только в разрезном |
диоде |
при |
неоднородном |
возбуждении: А^ ф А"2 . |
|
|
|
|
|
|
Из неравенства (9.30) удобно получить условие степени неоднород
ности возбуждения: |
|
|
„ > - |
• |
(9.31) |
№е, |
[ / ( 1 + а ) ( 1 - 0 - 1 + / ( Ц - а ) ] |
|
Обсудим физику появления «жесткого» режима в разрезном диоде. Для этого разобьем коэффициент усиления (9.29) на две части: выде лим из коэффициента усиления часть, отвечающую однородному воз буждению (Gmax). и часть, связанную с неоднородностью возбуждения
(AGmax = Gmax — G m a x ) . |
Пусть |
через часть 2 диода течет ток |
возбуж |
дения такой же плотности, как и через часть / диода, |
т. е. |
— |
При этом условии |
коэффициент |
усиления |
(9.29) принимает |
вид |
|
G c m p a x |
= Ѵ.± |
N ' t V + |
a ) V - |
f ) |
. |
|
|
(9.32) |
|
|
V |
|
i-f-л1 *'(1 — / ) |
|
|
|
|
Часть коэффициента усиления, обусловленная различием плотно |
стей токов возбуждения через части диода, очевидно, равна: |
|
Д/7С Р |
ficP |
/ j C p O |
|
Vi |
а |
|
(МО |
1 — |
Д / 0 Ч |
/ П о о ч |
и «шах |
— и т а х |
"шах— |
|
J _^ Д/Ф |
|
e z ' ' |
(J.ОО) |
Теперь полезно обратиться снова к последнему уравнению систе мы (9.22) и записать его в несколько другом виде. Умножим правую
и левую части уравнения на величину D<n ) pu T ~ и введем вместо
числа фотонов в резонаторе А ф величину |
JV*' = |
D<n)p„TJV*. Тогда |
уравнение примет вид |
|
|
4-cGZxN9 |
, |
(9.34) |
трез |
|
|
где |
|
|
G m p a x = [ V i G j ( o m a x ) -}- V 2 G 2 |
( t ) m a x ) l — . |
Разобьем Gmax в уравнении (9.34) на две части: (9.32) и (9.33). В ре зультате получим:
^ |
- - № ' ( - L -с |
AGZ, ) -\-cGZl N*'. . |
(9.35) |
at |
\ тр е ; , |
J |
|
Таким образом, диод с неоднородным возбуждением можно рас сматривать как диод с однородным возбуждением (коэффициент уси ления Gmax), У которого в потери (круглая скобка) входит некоторый дополнительный член, связанный с неоднородностью возбуждения.
Эквивалентные |
потери |
такого диода |
-!— |
равны |
|
|
|
|
|
|
|
"Срез |
|
|
|
J L = ; |
_±_ _ |
с |
д G Z X = |
+ - ^ |
- (N°t - |
N1) - L . |
(9.36) |
Трез . |
Трез |
|
|
Трез |
1+<ѴФ |
V |
|
Видно, что |
при |
Net =h Ne2 |
(в начале |
расчета |
мы приняли |
Л/", > |
>Nêt) эквивалентные потери зависят от числа фотонов (величины
поля) в резонаторе. Потери максимальны при уѴф' = |
0 и стремятся |
к нулю с ростом УѴф'. Это так назь.вгсмый зффект просветления, т. е. |
уменьшение потерь в диоде при увеличении числа фотонов в резонаторе |
диода. Как видно из выражения (9.36), эффект «просветления» имеет |
место в разрезном диоде всегда, |
если ІѴ£, Ф N^. Если |
«просветление» |
достаточно велико [достаточно |
велика неоднородность |
возбуждения, |
так что выполняется |
условие (9.31)], то на кривой GmaxOV*') появ |
ляется максимум и возможна работа диода в «жестком» режиме. |
Литература для углубленного изучения материала |
1. Л е н д ь е л Б . |
Лазеры . Изд-во «Мир», 1964. |