Расчет полупроводникового лазера

 

Введение

Одним из самых замечательных  достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора оптического  квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой  источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча.

Квантовые генераторы представляют собой особый класс электронных  приборов, вобравший в себя самые  современные достижения различных  областей науки и техники.

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или  смесь газов с парами металла.

Газовые лазеры представляют собой наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти лазер, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме.

Большие мощности необходимы для многих экспериментов при  изучении нелинейных оптических свойств  материалов. В настоящее время  большие мощности в газовых лазерах  не получены по причине того, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры.

Большую группу газовых лазеров  составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1–10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10–50 МГц).

Существует несколько  типов газоразрядных лазеров. В  ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4–100 мкм. Пример – гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

К газоразрядным относятся  также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен  из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО₂-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД – около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм.

Проектирование квантовых  генераторов весьма трудоемко из-за большого разнообразия процессов, определяющих их эксплуатационные характеристики, но не смотря на это газовые лазеры на углекислом газе используются во многих сферах.

На основе CO₂-лазеров разработаны и успешно эксплуатируются системы лазерного наведения, локационные системы контроля окружающей среды (лидары), технологические установки лазерной сварки, резки металлов и диэлектрических материалов, установки скрайбирования стеклянных поверхностей, поверхностной закалки стальных изделий. Также CO2-лазеры широко применяються в системах космической связи.

Основной задачей дисциплины «оптоэлектронные квантовые приборы  и устройства» является изучение физических основ,  устройства, принципов действия, характеристик и параметров важнейших приборов и  устройств , используемых в оптических системах связи. К их числу относятся квантовые генераторы  и  усилители, оптические модуляторы, фотоприемные  устройства ,нелинейно-оптические элементы  и  устройства, голографические  и  интегрально-оптические компоненты. Из этого следует актуальность темы данного курсового проекта.

Целью данного курсового  проекта является описание  газовых  лазеров и расчет гелий-неонового  лазера.

В соответствии с целью  решаются следующие задачи:

- Изучение принципа работы квантового генератора;

- Изучение устройства и принципа работы СО₂-лазера;

- Изучение документации по техники безопасности при работе с лазерами;

- Расчет СО₂-лазера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Принцип работы  квантового генератора

Принцип работы квантовых  генераторов основан на усилении электромагнитных волн с помощью эффекта вынужденного (индуцированного) излучения. Усиление обеспечивается за счет выделения внутренней энергии при стимулируемых внешним излучением  переходах атомов, молекул, ионов с некоторого возбужденного верхнего энергетического уровня на нижний (ниже расположенный). Эти вынужденные переходы вызываются фотонами. Энергию фотона можно вычислить по формуле:

hν = E₂ - E₁ ,          

где   E2 и E1 – энергии  верхнего и нижнего уровней;

h = 6,626∙10-34 Дж∙с – постоянная  Планка;

ν = c/λ – частота излучения, c – скорость света, λ – длина  волны.

Возбуждение, или, как принято  называть, накачка, осуществляется либо непосредственно от источника электрической  энергии, либо за счет потока оптического  излучения, химической реакции, ряда других энергетических источников.

В условиях термодинамического равновесия распределение частиц по энергиям однозначно определяется температурой тела и описывается законом Больцмана, согласно которому, чем выше уровень  энергии, тем меньше концентрация частиц, пребывающих в данном состоянии, другими словами, меньше его населенность.

Под воздействием накачки, нарушающей термодинамическое равновесие, может  возникнуть обратная ситуация, когда  населенность верхнего уровня превысит населенность нижнего. Возникает состояние, которое называется инверсией населенностей. В этом случае количество вынужденных  переходов с верхнего энергетического  уровня на нижний, при которых возникает  индуцированное излучение, превысит число  обратных переходов, сопровождающихся поглощением исходного излучения. Поскольку направление распространения, фаза и поляризация индуцированного излучения совпадают с направлением, фазой и поляризацией воздействующего излучения, возникает эффект его усиления.

Среда, в которой возможно усиление излучения за счет индуцированных переходов, называется активной средой. Основным параметром, характеризующим  её усилительные свойства, служит коэффициент, или показатель усиления kν - параметр, определяющий изменение потока излучения  на частоте ν  на единицу длины  пространства взаимодействия.

Усилительные свойства активной среды можно существенно повысить, применяя известный в радиофизике  принцип положительной обратной связи, когда часть усиленного сигнала  возвращается  обратно в активную среду и повторно усиливается. Если при этом усиление превышает все  потери, включая те, которые используются как полезный сигнал (полезные потери), возникает режим автогенерации.

Автогенерция начинается с появления спонтанных переходов  и развивается до некоторого стационарного  уровня, определяемого балансом между  усилением и потерями.

В квантовой электронике  для создания положительной обратной связи на данной длине волны используют преимущественно открытые резонаторы – систему из двух зеркал, одно из которых (глухое) может быть совершенно непрозрачным, второе (выходное) делается полупрозрачным.

Область генерации лазеров  соответствует оптическому диапазону  электромагнитных волн, поэтому резонаторы лазеров называют еще оптическими  резонаторами.

 Типичная функциональная  схема лазера с указанными  выше элементами показана на рисунке 1.

Обязательным элементом  конструкции газового лазера должна быть оболочка (газоразрядная трубка), в объеме которой находится газ определенного состава при заданном давлении. С торцевых сторон оболочка закрыта окнами из прозрачного для лазерного излучения материала. Эта функциональная часть прибора называется активным элементом. Окна для уменьшения потерь на отражение от их поверхности устанавливают под углом Брюстера. Лазерное излучение в таких приборах всегда поляризовано.

Активный элемент вместе с зеркалами резонатора, установленными снаружи активного элемента, называется излучателем. Возможен вариант, когда  зеркала резонатора закрепляются непосредственно  на торцах оболочки активного элемента, выполняя одновременно функцию окон по герметизации газового объема (лазер  с внутренними зеркалами).

Зависимость коэффициента усиления активной среды от частоты (контур усиления) определяется формой спектральной линии  рабочего квантового перехода. Лазерная генерация возникает только на таких  частотах в пределах этого контура, при которых в пространстве между  зеркалами укладывается целое число  полуволн. В этом случае в результате интерференции прямых и обратных волн в резонаторе формируются так  называемые стоячие волны с узлами энергии на зеркалах.

Структура электромагнитного  поля стоячих волн в резонаторе может  быть самой разнообразной. Её конкретные конфигурации принято называть  модами. Колебания с различными частотами, но одинаковым распределением поля в  поперечном направлении называются продольными (или аксиальными) модами. Их связывают с волнами, распространяющимися  строго вдоль оси резонатора. Колебания, отличающиеся друг от друга распределением поля в поперечном направлении, соответственно - поперечными (или неаксиальными) модами. Их связывают с волнами, распространяющимися  под различными небольшими углами к  оси и имеющими соответственно поперечную составляющую волнового вектора. Для  обозначения различных мод используется следующая аббревиатура: ТЕМmn. В  этом обозначении m и n – индексы, показывающие периодичность изменения поля на зеркалах по различным координатам  в поперечном направлении. Если при  работе лазера генерируется только основная (наинизшая) мода, говорят об одномодовом  режиме работы. При наличии нескольких поперечных мод режим называется  многомодовым. При работе в одномодовом режиме возможна генерации на нескольких частотах с различным количеством продольных мод. Если генерация происходит только на одной продольной моде, говорят об одночастотном режиме.

Рисунок 1 – Схема газового лазера.

На рисунке приняты  следующие обозначения:

1. Зеркала оптического резонатора;
2. Окна оптического резонатора;
3. Электроды;
4. Газоразрядная трубка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Устройство и принцип работы СО₂-лазера

Схематически устройство СО₂-лазера представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принцип устройства СО2-лазера.

Одной из самой распространенной разновидностью СО₂-лазеров являются газодинамические лазеры. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20–30 атм. , поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

Для создания активной среды (как говорят, «накачки») СО₂-лазеров чаще всего используют тлеющий разряд постоянного тока. В последнее время все шире применяют высокочастотный разряд. Но это особая тема. Высокочастотный разряд и те важнейшие применения, которые он нашел в наше время (не только в лазерной технике), – это тема отдельной статьи. Об общих принципах работы электроразрядных СО₂-лазеров, проблемах, которые при этом возникают, и некоторых конструкциях, основанных на применении разряда постоянного тока.

В самом начале 70-х годов  в ходе разработки мощных СО₂-лазеров выяснилось, что разряду свойственны неизведанные доселе черты и губительные для лазеров неустойчивости. Они ставят почти непреодолимые препятствия попыткам заполнить плазмой большой объем при повышенном давлении, что как раз и требуется для получения больших лазерных мощностей. Пожалуй, ни одна из проблем прикладного характера не послужила в последние десятилетия прогрессу науки об электрическом разряде в газах так, как задача создания мощных СО₂-лазеров непрерывного действия.

Рассмотрим Принцип работы СО₂ лазера.

Активной средой почти  любого лазера служит вещество, в определенных молекулах или атомах которого в  определенной паре уровней можно  создать инверсную заселенность. Это означает, что количество молекул, находящихся в верхнем квантовом  состоянии, соответствующем радиационному  лазерному переходу, превышает количество молекул, находящихся в нижнем. В  отличие от обычной ситуации луч  света, проходя через подобную среду, не поглощается, а усиливается, что  открывает возможность генерации  излучения.