L_12

Химические лазеры
Инверсная населенность достигается за счет энергии, выделяемой в
результате прохождения экзотермической химической реакции – энергия
идет на возбуждение колебательных или электронных состояний молекулыпродукта реакции
Типы реакций
A+B→AB – реакция синтеза
ABC→A+BC – реакция разложения
A+BC→AB+C – реакция замещения
HF-лазер
Инверсная населенность возникает между колебательными уровнями
молекулы HF при реакции замещения между атомарным фтором и
молекулой водорода, находящимися в газовой фазе:
F+H2→HF+H
Выделяемая теплота - 32 ккал/моль (приблизительно 70 % от нее идет на
возбуждение колебательных состояний фторида водорода)
Химические лазеры
Вследствие различий в скоростях термодинамической релаксации разных
колебательных состояний в течение определенного периода времени
населенность 2-го колебательного уровня приблизительно в 3 раза
превышает населенность 1-го уровня - на переходе 2→1 возникает генерация
Второй тип реакции: F2+H→HF+F
Выделяемая теплота - 98 ккал/моль - возбуждаются колебательные уровни
вплоть до 10-го
Генерация происходит на нескольких колебательных переходах в
диапазоне уровней от 1-го до 6-го в диапазоне от 2.7 мкм до 3.3 мкм
Особенности генерации
в спектре наблюдается колебательно-вращательная структура
наличие каскадной генерации
имеется только частичная инверсия между соседними
колебательными уровнями
Химические лазеры
Способы получения исходных компонентов
атомарный фтор может быть получен при столкновениях молекулы
SF6 (или NF3, UF6) с электроном в электрическом разряде
диссоциация молекул фтора и водорода на атомы в результате
облучения УФ излучением
Использование смеси, состоящей только из молекул фтора и водорода,
опасно вследствие ее высокой взрывоопасности. Поэтому в исходные
газовые смеси обычно добавляется молекулярный кислород
Источники УФ излучения: кварцевые лампы и искровые разряды
Электрический разряд используется, как правило, в импульсных лазерах,
а УФ воздействие чаще применяется для обеспечения работы лазера в
непрерывном режиме
Величины энергосъема с единицы объема активной среды достигают
сотней джоулей с литра при атмосферном давлении газовой смеси
Химические лазеры
Другие химические лазеры - DF-, HCl, HBr-DF-лазеры
Область генерации - ближний ИК диапазон в области длин волн 3.5 - 5 мкм
Наибольшая выходная мощность получена в DF-лазере – до нескольких
МВт в непрерывном режиме
Иодный лазер
Инверсная населенность в атомарном иоде достигается в реакции
фотолиза молекулы CF3I:
CF3I+hn→I*+CF3
Источником излучения для этой реакции могут служить кварцевые лампы
Длина волны генерации 1.315 мкм
Лазеры на центрах окраски
Активная среда - ионные диэлектрические кристаллы, прозрачные в
видимой области спектра
щелочно-галлоидные кристаллы LiF, KCl, NaCl
Типы
кристаллов
щелочно-земельные кристаллы (фториды) CaF2, BaF2
корунд Al2O3
Создание дефектов в кристаллах приводит к появлению в запрещенной
зоне определенных полос поглощения
F-центр - точечный дефект в том смысле, что нарушения кристаллической
структуры, вызванные им, сравнимы с межатомными расстояниями
кристаллической структуры
Способы создания F-центров
радиационный - кристалл облучается одним из видов излучения:
УФ излучением, рентгеновским или гамма-излучением
аддитивный - кристалл прогревается в парах щелочного металла
электронно-лучевой – облучение кристалла электронами высокой
энергии
Лазеры на центрах окраски
Энергия
F-центр
_
+
+
_
_
_
+
+
_
FА-центр
_
+
_
_
+ e +
+ _ + _ +
_
+ _ + _
_
_
+
_
+
2
+
+ e + _
_
+ _ +
3
_
_
+ e +
_
+ e + _
+ _ + _ +
_
+ _ + _
+
+ e + _
+ _ + _ +
_
+ _ + _
F2-центр
F+2-центр
+
+
_
_
_
+
+
_
+
_
_
+
+
_
+
4
1
Конфигурационная координата
Лазеры на центрах окраски
Образование различных разновидностей F-центров приводит к появлению
таких уровней энергии в запрещенной зоне, что обусловленные ими длины
волн поглощения попадают в видимую область спектра, в результате чего
кристалл получает окраску
При переводе электрона на уровень энергии, обусловленный наличием
F-центра, его релаксация происходит излучательно (люминесценция) с
длинами волн, больших по сравнению с длиной волны возбуждения и
попадающих в ближнюю ИК область
Необходимо учитывать колебания F-центров относительно равновесного
состояния, обусловленные воздействием на него полей кристаллической
Решетки → зависимость энергии F-центров от некоторой обобщенной
конфигурационной координаты, появление колебательной структуры
электронных состояний
Количество колебательных состояний велико, а сами колебательные уровни
перекрываются между собой, образуя широкие полосы
Лазеры на центрах окраски
Излучение накачки переводит электроны из
колебательных состояний, расположенных вблизи
дна основного электронного состояния, на
колебательные уровни возбужденного
электронного состояния, не расположенные вблизи
его дна
В результате быстрой безызлучательной
релаксации электроны переходят на
нижерасположенные колебательные уровни
данного электронного состояния
Далее электроны в соответствии с принципом
Франка-Кондона излучательно релаксируют на
колебательные уровни основного электронного с
остояния
Затем происходит быстрая безызлучательная
релаксация на нижние колебательные уровни
Выполняются все условия для генерации лазера по четырехуровневой схеме
Лазеры на центрах окраски
Накачка – оптическая лазерная
Излучение источника накачки пропускается через входное окно, имеющее
большой коэффициент отражения на длине волны лазера на центре окраски
и маленький коэффициент отражения на длине волны лазера накачки
Режимы генерации
импульсный - длительности импульсов
в режиме синхронизации мод могут
составлять несколько пикосекунд
непрерывный - характерные мощности
излучения достигают нескольких ватт
Спектральный диапазон генерации - приблизительно от 0.6 мкм до 4 мкм
с возможностью плавной перестройки длины волны излучения
Полупроводниковые лазеры
зона
проводимости
Ec
Eg
При низкой температуре все состояния
валентной зоны заняты электронами, а в
зоне проводимости электронов нет
Если перевести электроны внутрь зоны
проводимости, что они очень быстро
срелаксируют на самые нижние уровни
запрещенная энергии этой зоны, а состояния вверху
валентной зоны окажутся незанятыми
зона
Ev
Между нижними состояниями зоны
проводимости и верхними состояниями
валентной зоны возникнет инверсная
населенность
валениная
зона
Такую схему накачки на практике
реализовать сложно, потому что
полупроводник необходимо поддерживать
при близких к абсолютному нулю
температурах
Полупроводниковые лазеры
Инжекционный механизм накачки: диффузия электронов, находящихся в
зоне проводимости, в активную область через p-n переход с последующей
рекомбинацией электронов с дырками валентной зоны,
сопровождающейся излучением → инжекционный лазер
GaAs-лазер на гомопереходе
p- и n-области выполнены из GaAs. Они легируются примесями до
вырождения: уровни Ферми в p-области попадают в валентную зону, а в
n-области – в зону проводимости
При приложении смещающего напряжения электроны из n-области
диффундируют (инжектируются) в p-область, в области p-n перехода
возникает инверсная населенность, и электроны рекомбинируют с дырками
с испусканием кванта излучения
В лазере на GaA толщина активной области составляет порядка 1 мкм
Величина смещающего напряжения составляет порядка 1.5 В
Полупроводниковые лазеры
Ec
Ef
Ev
Eg
инжекция
квазиуровни
Ферми
Ec
Eg
рекомбинация
Ev
Полупроводниковые лазеры
Гомолазер на GaAs (вид с торца)
GaAs n-типа
металлические контакты
GaAs p-типа
каналы генерации
Размеры: 100 мкм по высоте, 200 мкм по ширине, 200-500 мкм по длине
Торцы кристалла делаются параллельными друг другу путем их скалывания
вдоль кристаллографических плоскостей, что позволяет использовать их в
качестве зеркал резонатора с коэффициентами отражения 30-40 %, что в
условиях очень больших коэффициентов усиления достаточно для
обеспечения обратной связи
Область p-n перехода расположена в середине кристалла по его высоте,
на поверхностях кристалла формируются омические контакты, а сам
кристалл устанавливается на теплоотводящую подложку
Полупроводниковые лазеры
Недостатки гомолазера:
1. Высокая пороговая плотность тока – примерно 105 А/см2 при комнатной
температуре
2. Усиление возникает по всей ширине кристалла в области p-n перехода, и
генерация возникает во многих каналах, что ухудшает свойства излучения
В лазере с полосковой структурой на поверхность кристалла наносится слой
изолирующего покрытия, в котором ортогонально зеркалам вырезается
полоса шириной порядка 10 мкм - ток локализован в пределах этой полосы,
что позволяет избежать многоканальной генерации. Ограничение области
усиления приводит к лучшему теплоотводу
Полосковая структура
GaAs n-типа
GaAs p-типа
изолятор
Полупроводниковые лазеры
Гетероструктура - область контакта двух разнородных полупроводников.
Полупроводники должны обладать разной шириной запрещенной зоны,
в то время как параметры их решеток должны как можно меньше
различаться
Пример гетероструктуры: GaAs - Ga0.7Al0.3As
У GaAs ширина запрещенной зоны меньше, показатель преломления больше
Из-за различия ширин запрещенных зон возникает электронный барьер –
электроны из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны не
могут диффундировать в полупроводник с большей шириной запрещенной
зоны → величина инверсии возрастает, и плотности порогового тока
становятся существенно меньшими
Различие в показателях преломления приводит к волноводному эффекту,
возможно возникновение полного внутреннего отражения на границе
полупроводников двух типов → излучение будет сосредоточено практически
полностью в активной области
Полупроводниковые лазеры
Гетероструктура с ограничивающим p-P гетеропереходом
EgP
Eg
GaAs p-типа
металлический контакт
изолятор
GaAlAs p-типа
GaAs
активная область (0.1 – 0.3 мкм)
GaAlAs n-типа
GaAs n-типа
теплоотвод
Полупроводниковые лазеры
Основные характеристики полупроводниковых лазеров
Малая длина оптического резонатора → большие межмодовые расстояния →
в область усиления полупроводникового лазера могут попасть сотни мод
При хорошей пространственной и спектральной однородности линии
усиления генерация происходит преимущественно в одномодовом режиме
Расстояния между соседними модами для различных полупроводниковых
лазеров определяется областью спектра, в которых они излучают, и лежат
в диапазоне 0.5-3 см-1
Спектр излучения полупроводниковых лазеров охватывает диапазон
до 5-10 нм
Длина волны излучения полупроводникового лазера сильно зависит от
температуры кристалла – при изменении температуры меняется показатель
преломления активной среды, и частоты мод меняются
Выходные мощности излучения в непрерывном режиме не превышают
величин порядка 10 мВт: при больших мощностях высокие интенсивности
лазерного пучка могут разрушить кристалл
Полупроводниковые лазеры
P, мВт
10
T=300 K
5
T=400 K
Величины пороговых токов сильно зависят
от температуры кристалла и для комнатной
температуры не превышают нескольких
десятков мА
В импульсном режиме мощность излучения
лазера на GaAs может достигать сотни ватт
100
200
I, мА
Группы полупроводниковых лазеров
1. А3В5 – GaAs (l=0.85 мкм), GaP (l=0.6 мкм), InAs (l=5 мкм)
2. А4В6 – PbSSe, PbSnTe, PbSTe лазеры излучают в диапазоне от
3.5 мкм до 40 м
3. А2В6 – CdS, ZnS,ZnSe, излучающие в коротковолновом
спектральном диапазоне – в сине-зеленой и в ближней УФ
областях спектра