Transcript Лазеры: типы, основные элементы, условия работы

23. Лазеры: типы, основные элементы, условия
работы
Лазер: квантовый генератор когерентного остронаправленного ЭМИ большой интенсивности;
индуцированное излучение (лампочка, Солнце –
спонтанное излучение)
Элементы: 1-накачка, 2-активная среда, 3-резонатор
Типы - ПП, газовые, электроионизационные,
химические, инжекционные, твердотельные . . .
УР: инверсная заселённость, трёхуровневая схема,
метастабильный уровень для инверсной заселённости
1
Л.39 (30) Лазеры (мазеры).
www.laserinfo.ru
1954 Мазер – Microwave Amplification
of Stimulated Emission of Radiation
Ч.Таунс 1915жив в 2009
Н.Г.Басов 1922-2001
  12,4 мм
А.М.Прохоров
1916 - 2002
3
1960 Лазер – Light Amplification of
Stimulated Emission of Radiation
Твердотельный
лазер
Газовый лазер
Режим работы - непрерывный
Режим работы импульсный
  690 нм
Теодор
Гарольд
Мейман
(США) 1927 -
 1 мкм
Али Джаван (1927, Иран
Лазеры: теория появилась намного раньше
эксперимента
Теоретические
основы:
Эйнштейн, 1917 г.
Спонтанное и
индуцированное
излучение атомов
1879 - 1955
5
Задача, которую решал Эйнштейн в 1916 г. после
создания ОТО: вывести формулу Планка по-своему
rT   
4
 
2
c
3
2
 
exp 
 k BT

 
  1
 
1
 71
Формула Планка (Макс Планк, 1900). Спектральная
плотность энергетической светимости
Мощность ЭМИ, испускаемого с единицы поверхности
нагретого АЧТ в малом интервале частот. Излучение
находится в равновесии с веществом
dI
rT   
(72)
d
7
9
Двухуровневая модель: среда состоит из
одинаковых невзаимодействующих атомов,
каждый из которых имеет ДВА уровня энергии
В состоянии теплового равновесия
W
O
W2
N2
N1
W1
 Wi
N i   exp  
 k BT

 i  91

dN 2 dN1

0
dt
dt
 92 
Равновесие динамическое:
есть переходы вниз – излучение,
есть переходы вверх - поглощение
W
O
W2
W1
Оно обеспечивается двумя очевидными процессами:
1) спонтанное излучение (возникает само собой),
2) поглощение (всегда под влиянием фотона,
индуцированное, вынужденное). . . . .
но НЕОБХОДИМ ещё один неочевидный процесс:
3) Индуцированное (вынужденное, под влиянием
фотона) излучение. . . . .
На самом деле спонтанное излучение – тоже не «само
собой», а под влиянием вакуумных флуктуаций
11
Различие между фотонами спонтанного и
индуцированного излучения
W
O
W2
W1
Спонтанное излучение
1) Фотоны имеют различные фазы, они некогерентны
2) Фотоны движутся в различных направлениях
Индуцированное излучение
1) Испускаемый фотон имеет ТУ ЖЕ ФАЗУ, что и
индуцирующий фотон: они когерентны
2) Испускаемый фотон движется в ТОМ ЖЕ
направлении, что и индуцирующий фотон: излучение
остронаправлено
13
Элементарные процессы взаимодействия излучения и
вещества: поглощение света
O
O
W3
W3
W2
W2
W1
W1
15
P10
W0
W0
Рис.3.3до. Поглощение света. Рис.3.3после. Поглощение света. Атом
Атом в основном состоянии и поглотил
фотон
и
перешёл
в
фотон, налетающий на атом.
возбуждённое состояние. Фотон больше
не существует.
Элементарные процессы взаимодействия излучения и
вещества: спонтанное излучение света
O
O
W3
W3
W2
W2
W1
W1
17
P10
W0
W0
Рис.3.4до. Спонтанное излучение Рис.3.4после. Спонтанное излучение
света.
Атом
в
возбуждённом света. Атом испустил фотон и
состоянии может испустить фотон.
перешёл в основное состояние.
Элементарные процессы взаимодействия излучения и
вещества: индуцированное излучение света
O
O
W3
W3
W2
W2
W1
W1
P10
W0
P10
19
P10
W0
Рис.3.5до.
Индуцированное Рис.3.5после.
Индуцированное
излучение. Атом в возбуждённом излучение. Атом перешёл в основное
состоянии и фотон, налетающий на состояние, испустив фотон.
атом.
Итак, если мы хотим получить когерентное
остронаправленное излучение надо
1) Иметь какой-нибудь источник энергии, с помощью
которого мы будем производить «накачку», т.е получать
инверсную населённость
W
O
W2
W1
N 2  N1
W
O
W2
W1
N 2  N1
21
Итак, если мы хотим получить когерентное
остронаправленное излучение надо
2) Создать инверсную населённость – активную среду –
осуществить накачку. Для этого надо подбирать
подходящее вещество – «лазерный материал»
W
N 2  N1
W
O
O
W2
W2
W1
W1
N 2  N1
23
Итак, если мы хотим получить когерентное
остронаправленное излучение надо
3) Усилить первоначально слабое индуцированное
излучение с помощью положительной обратной связи:
поместить активную среду в резонатор
t1
t2
t3
25
Лазерные материалы: из чего «делают» активную среду 27
1) Монокристалл рубина (Т.Мейман) –
твердотельные лазеры
2) Монокристалл GaAs (Ж.И. Алфёров) –
полупроводниковые лазеры
3) Гелий-неоновая газовая смесь (А.Джаван)
– газовые лазеры
4) Жидкостные лазеры
5) Лазеры на свободных электронах
Методы накачки
29
Твердотельные лазеры: свет от мощных ламп-вспышек.
Режим работы - импульсный
Полупроводниковые лазеры: пропускание электрического
тока, накачка электронным пучком
Газовые лазеры:
Пропускание электрического тока (газоразрядные лазеры)
Накачка электронным пучком
Накачка адиабатическим охлаждением (газодинамические
лазеры)
Накачка за счёт химических реакций (химические лазеры)
Методы накачки
Лазеры на свободных электронах:
Быстрые электроны «загоняют» в периодическое
магнитное поле – частоту можно менять за счёт скорости
электронов – эффект Доплера. Накачка - ускоритель
31
33
Эффект Доплера: зависимость частоты излучения от
скорости источника


v
1  cos
c
 331
Трёхуровневая энергетическая диаграмма активной
среды гелий-неонового лазера
Гелий – накачка
электронным ударом,
метастабильные уровни
Неон – обычные
возбуждённые уровни,
излучательный переход
35
Трёхуровневая диаграмма активной среды гелий-неонового лазера
Гелий – накачка
электронным
ударом.
Метастабильные (?) уровни,
от них энергия
передаётся в
резонансных
столкновениях
атомам неона
36
Неон – обычные
возбуждённые уровни,
излучательный переход,
3р и 2р уровни быстро
опустошаются за счёт
спонтанных переходов
Рубиновый лазер – один из первых твердотельных
лазеров
Рубин – кристалл Al2O3 (корунд)
с небольшой добавкой ионов Cr3+
37
Инжекционные ПП лазеры: обе области легированы
сильно, полоса дырочных и электронных состояний
г о м о п е р е х о д в о т с у т с т ви и к о н т а к т а
р-ПП (область)
n-ПП (область)
Эмиттер
Электроны
База
Дырки
Wc
Wg
Wg
Wv
Na >  Nd
В nПП дырки –
неосновные носители, в
равновесии p<<n
39
Инжекционные ПП лазеры: обе области легированы
сильно, полоса дырочных и электронных состояний
гомопереход в равновесии
при отсутствии смещения
n-область
р-область
Электроны
Обеднённый
Дырки
слой
We
Wg
Wc
Wg
уровень
Ферми
Wh
Wv
41
43
Инжекционные ПП лазеры
г о м о п е р е х о д п р и п р я м о м с м е щ е н и и,
обеспечивающем инжекцию


n-область
Электроны
Эмиттер
База
Дырки
Концентрация
дырок больше
равновесной (в
базе дырки –
неосновные
носители)
Область
инверсной
заселённости
Wg
излучательные
переходы дырок
р-область
Na >  Nd
Wc
Wg
Wv
We
Инжекция
(инъекция) впрыскивание
Wh
Рисунок из Нобелевской лекции Н.Г.Басова (1964 г.) Его
группой были созданы первые инжекционные ПП гомолазеры
45
Недостатки инжекционных гомолазеров
1) Большой ток накачки => нагрев => охлаждение или
импульсный режим
2) Невысокий КПД, понижается с ростом
температуры
3) Малые размеры резонатора => сильная расходимость
излучения
47
49
ПП гетеролазеры: сверхинжекция
гетеропереход в отсутствии контакта
р-ПП AlAs
n-ПП GaAs
широкозонный
узкозонный
Электроны
Wcш
Дырки
Wcу
Wgш=2,2 эВ
Wgш
Wvш
Wgу
Wgу=1,5 эВ
Wvу
51
ПП гетеролазеры: сверхинжекция
гетеропереход в равновесии
при отсутствии смещения
широкозонный
Wcш
узкозонный
Электроны
We
Дырки
Wgш=2,2 эВ
Wgу=1,5 эВ
Wgш
уровень
Ферми
Wcу
Wvш
Wgу
Wh
Wvу
53
ПП гетеролазеры: сверхинжекция
Wgш
Wgу
Wvш
излучательные
переходы дырок
г е т е р о п е р е х о д п р и п р я м о м с м е щ е н и и,
обеспечивающем сверхинжекцию
широкозонный
узкозонный
Электроны
Wcш
We
Дырки
Область
инверсной
заселённости
Wcу
Wgш=2,2 эВ
Wgу=1,5 эВ
Wvу
Wh
55
ПП гетеролазеры: сверхинжекция
двойной гетеропереход
п р и п р я м о м с м е щ е н и и,
обеспечивающем сверхинжекцию
р-ПП(ш)
n-ПП(у)
р-ПП(ш)
Wgш
Wvш
Показатель
преломления
меньше
излучательные
переходы дырок
Wcш
Область
инверсной
заселённости
Показатель
преломления
больше
Показатель
преломления
меньше
Излучение
распространяется перпенWe
дикулярно
плоскости
рисунка, оно
Электроны «зажато» в
области
инверсной
заселённости,
Дырки получился
практически
Wh
световод
ПП гетеролазеры: преимущества
Вся оптоэлектроника основана на гетеролазерах
1) Миниатюрность: длина резонатора 200 мкм
2) Малая инерционность – время релаксации порядка 1 нсек
3) Высокий КПД – до 50%
4) Возможно плавное изменение длины волны излучения
5) Совместимость с ПП приборами других типов и возможность интеграции
6) Можно изменять длину волны с помощью электрического сигнала
7) Низкое требуемое напряжение (1-3 В)
8) Длительный ресурс работы (100 кчас)
57
Последний слайд: природные СО2-лазеры на Марсе и Венере,
подтверждено несколькими группами (1981-1993 годы)
ИК излучение: 9,6 мкм и 10,6 мкм,
Накачка – солнечное излучение
Интенсивность как функция смещения частоты.
Синяя – равновесное излучение, красная – реальное
(явно неравновесное) излучение с Марса
59
62
1) Лазерная спектроскопия
2) Лазерная химия
3) Лазерный управляемый термоядерный синтез
4) Лазерная обработка материалов (металлов, керамик,
биологических объектов)
5) Лазерное охлаждение газов для высокоточных часов
6) Лазерный гироскоп