Лазеры: типы, основные элементы, условия работы
реклама
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 1 k BT 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 Ni 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 O N 2 N1 W 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
