Полупроводниковые лазеры

Лазеры
Семинарское занятие
План семинарского занятия







1. Строение атома
2. Спонтанное и вынужденное излучение
3. Квантовые генераторы:
а) история открытия
б) устройство и принцип действия
в) свойства лазерного излучения
в) применение лазеров
Развитие представлений о строении атома в XX
веке
Спонтанное излучение

Согласно представлениям
квантовой теории, атомы
излучают фотоны при
самопроизвольных
(спонтанных) переходах из
возбужденных состояний с
большей энергией в состояния с
меньшей энергией. Такое
излучение называют
спонтанным. Так как излучение
каждого атома не зависит от
других атомов, то при переходах
между одними и теми же
уровнями разные атомы
излучают фотоны одинаковой
частоты, но фазы колебаний и
плоскости поляризаций их
различны, причем это различие
носит случайный характер.
Такое электромагнитное
излучение является
некогерентным.
Вынужденное или
индуцированное излучение

– это электромагнитное
излучение, испускаемое
возбужденными атомами
или молекулами под
действием внешнего
излучения такой же частоты.
Испущенное вынужденное
излучение совпадает с
вынуждающим не только по
частоте, но и по
направлению
распространения,
поляризации и фазе, ничем
от него не отличаясь.
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

источник когерентного
электромагнитного
излучения, действие
которого основано на
вынужденном излучении
фотонов атомами, ионами
и молекулами. Квантовые
генераторы
радиодиапазона
называются мазерами,
квантовые генераторы
оптического диапазона —
лазерами.

Мазер
Основные этапы развития лазерной техники












Первым обосновал возможность получать индуцированное (вынужденное)
излучение и указал на его когерентность А. Эйнштейн в 1916. В 1923 П.
Эренфест подтвердил его выводы.
В 1927-1903 П. Дирак создал квантово-механическую теорию вынужденного
излучения.
Условия обнаружения вынужденного излучения и пути его реализации
сформулированы Р. Ладенбургом и Г. Копфеманом (Германия) в 1928, и В. А.
Фабрикантом (СССР) в 1939.
Сформулирована теория молекулярного генератора (мазера) и усилителя
мощности Ч. Таунсом (США) в 1951, Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (СССР)
в 1953.
Теорию усиления в газах электромагнитного излучения в радио- и оптическом
диапазонах создал В. А. Фабрикант с сотрудниками в 1951.
Теорию полупроводникового лазера на p- n-переходах сформулировал Дж. фон
Нейман (США) в 1953.
Первые модели молекулярных генераторов на аммиаке ( = 1,25 см) и усилителя
мощности построены одновременно и независимо Ч. Таунсом (США), Н. Г.
Басовым, А. М. Прохоровым (СССР) в 1954 — 1956 (Нобелевская премия по
физике за 1964).
Первый квантовый генератор видимого света — импульсный лазер на рубине (
= 0,69 мкм) — сконструировал Т. Мейман (США) в 1960.
Первый газовый лазер на He—Ne сделал А. Джаван (США) в 1961.
Ионный лазер — У. Б. Бриджес (США), 1964.
Лазер на свободных электронах — Дж. Мейди (США), 1976-77.
Полупроводниковые лазеры были предложены Н. Г. Басовым в 1962,
осуществлены на p- n-переходе Р. Холлом и М. И. Нейтеном (США) в 1962.
Типы лазеров




В зависимости от вида активной среды и способа ее
возбуждения лазеры несколько условно можно разделить
на несколько типов —
твердотельные,
жидкостные,
газовые,
полупроводниковые,
в каждом из которых имеются свои особенности,
связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п.
Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители —
лазеры, состоящие из активной среды и системы
накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на
выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную
генерацию в активной среде усилителя, приводящее в
росту энергии излучения.
Трехуровневая схема лазера
Этапы работы твердотельного лазера

инверсная заселенность создается за счет облучения
кристалла импульсной лампой-вспышкой, после чего
атомы переходят в долгоживущее метастабильное
состояние. Испускание одного фотона ведет к
образованию лавины фотонов, выходящих через
полупрозрачное зеркало в торце кристалла.
Полупроводниковый лазер
Особенности лазерного излучения





монохроматичность
когерентность
поляризованность
малая расходимость светового пучка
самые мощные источники света – 1014 Вт/с
Солнце – 7 ∙ 103 Вт/с
Применение лазеров











Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оружия и
указок, в проигрывателях компакт-дисков, как мощные источники света в маяках.
Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и
теодолитах; в метрологии — как эталоны частоты и времени; для записи голограмм.
Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования
атмосферы.
Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на
CO2) — для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются
в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства.
Лазеры используют для осуществления термоядерной реакции (т. н. «инерциальный
способ»), сортировки изотопов, в тонких физических и химических экспериментах.
Малая расходимость лазерного пучка используется в системах наведения самолетов
и ракет, а также в системах связи на больших расстояниях.
Монохроматичность лазерного света используется для создания устройств
стандарта частоты и времени.
Когерентность лазерного излучения используется для создания трехмерных
голографических изображений предметов.
Поляризованность лазерного света лежит в основе создания модуляторов света в
системах оптоволоконной связи.
Большая мощность лазерного излучения в совокупности с малой расходимостью
используется в устройствах по созданию высоких температур в малом объеме (резка
металлов, лазерное оружие, микрохирургические операции, установки по
исследованию термоядерных реакций).
В последнее время широкое распространение получили полупроводниковые лазеры,
в которых световое излучение возникает в прозрачных кристаллах, разделенных p–n
- переходом.
Видео «Лазеротерапия»
Использование лазера

Микрохирургия глаза

Лазерный пистолет

Установка для получения
лазерной голограммы

Устройство для
проигрывания лазерных
дисков