Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Характеристики лазерного излучения

 

Основными характеристиками лазерного излучения являются: монохроматичность, когерентность, направленность, поляризованность, мощность излучения.

Монохроматичность. Монохроматичность характеризует ширину спектра излучения. Гармоническое колебание называется монохроматическим, если оно может быть описано выражением:

A(t)=Aosin(2πνot+φo), (2.1)

где А(t) - текущее значение амплитуды; Ао — максимальное значение амплитуды; 2πvо — круговая частота; <φо - начальная фаза колебаний.

Ширина спектра ∆v излучения определяется степенью монохроматичности излучения и равна:

μ= ∆ν/ν=∆λ/λ, (2.2)

где ∆ν (∆λ) – диапазон частот (длин волн), который занимает излучение.

Если μ = 0, то излучение идеально монохроматично, если μ ≤ 0 - квазимонохроматично. Лазеры позволяют получить излучение со значением μ≈10-10 при достаточно большой мощности.

Идеально монохроматическое излучение – это излучение, ширина спектра которого равна нулю. Реально, идеально монохроматического излучения в природе не может существовать, т.к. оно всегда ограничено во времени.

Обычно монохроматическим считают излучение, имеющее достаточно узкий спектральный состав, которое можно характеризовать одной частотой или длиной волны. Иногда при этом указывают и ширину линии излучения.

Когерентность света представляет собой взаимную согласованность протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства и (или) времени, которая характеризует их способность к интерференции. Если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону, то колебания называют когерентными. Колебания, у которых разность фаз изменяется беспорядочно и быстро по сравнению с их периодом, называют некогерентным.

Для оптического излучения различают пространственную и временную когерентность. При пространственной когерентности рассматривается связь колебаний в различных точках пространства. При временной когерентности рассматривается связь колебаний в одной и той же точке пространства в разные моменты времени. При сложении когерентных колебаний возникает устойчивая интерференционная картина.

Временная и пространственная когерентность – независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные, одномодовые лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности. Время когерентности обычно принимается за время жизни излученного колебания τ. Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называют длиной когерентности L. При τ ≈ 10-8 с длина когерентности L = с·τ = 300 см. Если учитывать, что ширина спектральной линии связана с временем жизни, то ∆v ≈ 1/τ. В этом случае длина когерентности связана с шириной спектральной линии величиной L ≈ c/∆v. Таким образом, чем уже частотный спектр излучения, тем больше время когерентности, выше степень временной когерентности и лучше монохроматичность излучения.

Поляризация излучения. Векторы напряженности электромагнитной световой волны расположены в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения и периодически изменяются по величине и направлению. Поляризация света это характеристика непрерывности распределения по направлению амплитуды колебаний этих векторов. Если излучение монохроматическое, векторы колеблются с некоторой постоянной частотой и их можно представить как сумму двух взаимно перпендикулярных составляющих X и Y. Если разность фаз колебаний по этим направлениям равна нулю, то суммарный вектор колеблется в одной плоскости. Ситуация, соответствующая разности фаз πn, где n- целое число, называется линейной поляризацией, а плоскость, перпендикулярная направлению колебаний – плоскостью поляризации.

Если разность фаз по направлениям X и Y не равна πn, то конец вектора напряженности электрического поля описывает поверхность эллиптического цилиндра. Этот случай называют эллиптической поляризацией. Частным случаем ее является круговая поляризация.

В естественном свете направление электрического вектора изменяется случайным образом и поляризация отсутствует. Если угол между преломленным и отраженным лучами прямой, то отраженный свет полностью поляризован. Угол падения света в этом случае называется углом Брюстера, а само явление используется для линейной поляризации света в резонаторе лазера.

Направленность. Пространственная когерентность характеризует форму волнового фронта излучения. Лазерное излучение имеет высокую направленность, обусловленную свойствами оптического резонатора, и высокую спектральную мощность излучения.

Направленность характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. В качестве параметра направленности принимается не телесный угол ω, а плоский угол расходимости θ. Если расходящийся пучок представляет собой конус, между телесным и плоским углами существует простая связь ω=2π(1-cos θ/2). Лазер с длиной волны λ=0,5 мкм, диаметром D=1 см имеет θ = 5 угл. сек.

Обычные источники (тепловые, ламповые и др.) не обладают направленностью излучения. Их излучение не когерентно и в пределах всего телесного угла 4π (θ = 2π).

Излучение лазеров является когерентным и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу очень большого радиуса, т.е. лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень небольшой расходимостью. Эта расходимость определяется дифракцией на выходном отверстии. Направленность достигается только благодаря когерентности.

Яркость и мощность излучения. Яркость В определяется, как мощность на единицу площади и на единицу телесного угла. Для круглого сечения радиусом R, расходимостью θ и полной мощностью P имеем:

В = Р/ πR2θ2. (2.3)

Спектральная яркость Вν = В/∆ν, где ∆ν – ширина лазерной линии в Гц. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием направленности лазерного пучка. Повышение яркости возможно путем улучшения модового состава излучения и снижения угловой расходимости пучка.

Мощность излучения или лучистый поток представляет собой энергию, переносимую излучением за единицу времени. Если энергия излучается в виде импульсов, то пользуются понятием импульсной и средней мощности.

Из лазеров, работающих в непрерывном режиме, наибольшую мощность имеют CO2- лазеры (десятки киловатт для промышленных образцов). Высокие уровни мощности имеют импульсные твердотельные лазеры в неодимовом стекле (до 1011–1013 Вт при наносекундной длительности импульса).

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер представляет собой лазер на основе полупроводниковой активной среды, в которой используются квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используются квантовые переходы между дискретными уровнями энергии.

Действие лазера основано на том, что при прямом смещении электроны инжектируются в р-область, где происходит их излучательная рекомбинация с имеющимися там дырками. Для создания состояния с инверсией населенностей необходима большая концентрация дырок в валентной зоне, что достигается увеличением концентрации легирующей акцепторной примеси. Для того, чтобы инжекция электронов в р-область превышала инжекцию дырок в n-область (где рекомбинация безызлучательная, а, следовательно, ток дырок в n-область целиком относится к потерям), необходимо, чтобы концентрация донорной примеси в n-области была выше концентрации акцепторной примеси в р-области. Таким образом, для получения состояния с инверсией населенностей в р-области необходима высокая степень легирования примесями обеих областей р-n-перехода.

В соответствии с зонной теорией полупроводников, при поглощении фотона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны, происходит переброс электрона из валентной зоны Ев в зону проводимости Ес (рисунок 2.9,а). При этом в валентной зоне образуется дырка.

 

 

Рисунок 2.9 - Процесс взаимодействия полупроводника с квантами света:

а - образование электронно-дырочной пары; б - спонтанная рекомбинация, сопровождаемая излучением фотона; в - вынужденная рекомбинация электрона и дырки

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит процесс спонтанного излучения (рисунок 2-9,б).

В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (рисунок 2.9,в). Для создания условий усиления света необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие. С этой целью увеличивается концентрация электронов у дна зоны проводимости и дырок у потолка валентной зоны.

Обозначим наивысший уровень энергии, до которого электроны плотно заполняют зону проводимости, величиной μэ. Чем больше электронов упаковано в дно зоны проводимости, тем выше этот уровень μэ.

Аналогично в валентной зоне существует уровень μд. Если одновременно вырождены электроны и дырки, то:

μэ - μд ≥ Еg (2.4)

При таких условиях электроны могут рекомбинировать только с теми дырками, которые лежат выше μg. В свою очередь, электроны могут быть заброшены в зону проводимости только на уровни выше μэ, потому как остальные уровни уже плотно упакованы. В этом случае возможны переходы в интервале частот:

μэ - μд = hνmax, (2.5)

или:

Есv= Еg = hνmin (2.6)

и полупроводник может усиливать и генерировать свет в полосе частот:

∆ν = νmах – νmin. (2.7)

Стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора.

Если поместить такой полупроводник в резонатор Фабри-Перо и создать положительную обратную связь, то при каждом проходе резонатора в полупроводнике полоса частот будет сужаться. Усиление в полосе частот ∆ν неодинаково. Существует частота максимального усиления, которая лежит в диапазоне ∆ν, и именно на ней происходит максимальное усиление и формируется монохроматическое излучение.

Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму. Угол расходимости светового пучка около 20...50*.

Различают прямые и непрямые переходы.

Если рекомбинация электронно-дырочной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимости на незаполненный уровень в валентной зоне называется прямым.

Если рекомбинация электронно-дырочной пары сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход называется непрямым. В этом случае колебания решетки поглощают часть импульса ∆р и, соответственно, энергию ∆Е.

В этом случае уравнение инверсии населенностей для невырожденного электронно-дырочного газа записывается в вид:

 

μэ - μд = Еg+ ∆Е. (2.8)

 

Создать в чистых полупроводниках состояние с одновременным вырождением электронов и дырок трудно. Обычно используют два полупроводника п- и р- типов, в каждом из которых электроны и дырки вырождены. В р-n -переходе может выполняться условие инверсии населенностей μэ - μд ≥ Eg только при условии прямого напряжения. Через р- n-переход потекут токи, состоящие из электронов и дырок.

В тонком слое р—п - перехода они рекомбинируют, излучая фотоны:

 

hν = Еg < μэ - μд . (2.9)

 

Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в р-n - переходе концентрацию, достаточную для их вырождения. Чем выше электрическое поле в р-n - переходе, тем больший ток через него протекает. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает поглощение, называется пороговым.

При токе инжекции, менее порогового значения Iпор, наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном светодиоде. При увеличении тока до Iпор (более 50... 150 мА) и выше возникает стимулированное излучение и наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности, например с 5 мкВт/мА, характерной для спонтанного излучения, до 200 мкВт/мА.

При токе выше порогового р- n-переход является усиливающей средой. Если ввести положительную обратную связь в виде резонатора, то из усилителя света можно получить генератор. В качестве резонатора используются гладкие грани полупроводникового кристалла.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход, называют инжеционным лазером.

Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют получить высокую направленность излучения. Состояние инверсии населенности уровней может достигаться электронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.

Наилучший эффект генерации получен на прямозонных полупроводниках, среди которых ряды изоморфных твердых растворов типа AIIBVI, AIIIBVI, AIIIBV, AIVBVI и т. п.

Особый интерес вызывают материалы, составляющие изопериодические пары. Это кристаллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. С их помощью методами электроннолучевой эпитаксии выращиваются бездефектные гетеропереходы. Широкое распространение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате излучательной рекомбинации в гетероструктуре, называют гетеролазером.

Наиболее эффективными оказались полупроводники типа AIIIBV с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Лучшие параметры имеет гетеролазер на основе двойной гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению областей инверсной заселенности и светового поля. В таких лазерах уже при малом токе накачки можно получить устойчивую генерацию. Резонатором служат грани кристалла, но можно использовать и внешние оптические резонаторы.

На рисунке 2.10 приведена структура гетеролазера на основе арсенида галлия с двухсторонней гетероструктурой типа n(А1,Ga)As-pGaAs-p(Al,Ga)As с резонатором в виде сколотых граней кристалла. Две боковые противоположные грани кристалла, перпендикулярные плоскости перехода, выполняют параллельными и полируют с оптической точностью. Они представляют собой отражающие поверхности открытого резонатора. Чаще всего отражающие поверхности получают путем скола кристалла вдоль кристаллографической плоскости, что обеспечивает идеально ровные и одновременно параллельные поверхности. Вследствие высокого показателя преломления большинства полупроводников, используемых в лазерах (например, у GaAs n = 3,6) поверхность полупроводник - воздух имеет довольно значительный коэффициент отражения, который оказывается достаточным для выполнения условия возбуждения.

 

Рисунок 2.10 - Структура ДГС гетеролазера

 

Двойная гетероструктура этих лазеров состоит из тонкого слоя (толщиной около микрона) арсенида галлия р-типа, заключенного между р- и n-областями раствора Alx Ga1-xAs, имеющего более широкую запрещенную зону.

На рисунке 2.11 приведена упрощенная энергетическая зонная диаграмма двойной гетероструктуры в отсутствие напряжения (рисунок 2.11,а) и с внешним напряжением (рисунок 2.11,6), приложенным в прямом направлении. Приложенное к гетеропереходу напряжение приводит к инжекции электронов из широкозонного n-полупроводника (Al, Ga)As) в область pGaAs, где образуется инверсия населенностей.

Особенностью рассматриваемой гетероструктуры является возможность осуществления режима суперинжекции. Для этого режима характерно то, что плотность инжектируемых в узкозонный активный материал pGaAsэлектронов превышает их равновесную концентрацию в широкозонном эмиттере (кристалле р(Al,Ga)As). Суперинжекция создается при напряжениях, близких и больших контактной разности потенциалов пары полупроводников pGaAs-n(Al, Ga)As, когда потенциальный барьер для электронов исчезает.

Увеличению инверсии в активном слое pGaAs двойной гетероструктуры способствует так называемое электронное ограничение. Оно состоит в том, что инжектируемые в pGaAs электроны не могут диффундировать в соседнюю широкозонную область р(Al, Ga)As полупроводника, и их плотность в активной области возрастает. Диффузии электронов в область р(Al, Ga)As препятствует, как видно из рисунок 2.11, потенциальный барьер, существующий на ее границе.

 

Рисунок 2.11 - Энергетические диаграммы двойной гетероструктуры:

а) в отсутствие внешнего напряжения и б) при его наличии.

 

Важную роль в уменьшении пороговой плотности тока гетеролазеров играют оптические свойства гетероструктур. Центральный активный слой pGaAs гетероструктуры имеет большую диэлектрическую проницаемость, чем области пир смешанного кристалла (А1, Ga)As. Поэтому активный слой с инверсией населенности служит диэлектрическим волноводом, внутри которого распространяется основная доля поля генерации (по типу волокна).

Меньшая плотность порогового тока в лазере на двойных гетероструктурах связана также с тем, что в широкозонных областях (А1, Ga)As, соседних с активным слоем pGaAs, отсутствует межзонное поглощение, поскольку энергия квантов генерируемого излучения меньше ширины их запрещенной зоны.

Лучшие инжекционные гетеролазеры на GaAs имеют плотность порогового тока ~ (1—3)103 А/см2 при комнатной температуре, что почти на два порядка меньше, чем в лучших инжекционных гомолазерах на GaAs.

Гетеролазеры имеют рекордный коэффициент полезного действия из всего набора существующих лазеров. В лабораторных образцах КПД гетеролазеров достигает 60÷70 %. КПД промышленных лазерных диодных линеек составляет ≈ 45 %, гетеролазеров со стыкованным световолокнами ≈ 25 %. Срок службы гетеролазеров достигает 10 000 ч.

Волоконные лазеры

 

В волоконных лазерах в качестве усиливающей среды используются оптические волокна со светонесущей сердцевиной и двойной оболочкой. Светонесущая сердцевина легированна примесью редкоземельных ионов, являющихся активными частицами, в системе которых создается инверсная населенность.

Конструкция лазерного световода (рисунок 2.12,а) включает в себя (как правило) одномодовую с активными примесями сердцевину 1, внутреннюю оболочку 2 с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины, и внешнюю оболочку 3, имеющую показатель преломления ниже, чем у оболочки 2. Профиль показателей преломления световода показан на рисунке 2.12,б. Внутренняя оболочка (вместе с внешней оболочкой) образует многомодовый световод, по которому распространяется излучение накачки. Излучение накачки, вводимое в волокно с торца, испытывая полное внутреннее отражение на границе с внешней оболочкой, распространяется по внутренней оболочке. Пересекая сердцевину, излучение накачки поглощается ионами редкоземельных элементов и обеспечивает тем самым инверсию населенностей в ней.

 

Рисунок 2.12 - Конструкция лазерного световода (а), профиль показателя преломления (б)

Источником накачки служат полупроводниковые лазеры, частота излучения которых соответствует линиям поглощения активных ионов.

Активная одномодовая сердцевина и внутренняя оболочка выполняются из кварцевых стекол различного состава. Числовая апертура одномодовой активной сердцевины для лазерного излучения обычно составляет величину 0,1 ÷ 0,15. В качестве материала внешней оболочки используются полимеры с низким показателем преломления. В частности, это силиконовая резина и тефлон AF,. Поперечный размер одномодовой активной сердцевины лазерных световодов составляет (5÷12) мкм, диаметр внутренней оболочки имеет типичный размер (100÷500) мкм. Толщина внешней оболочки около 10 мкм.

Во многих случаях для улучшения эффективности накачки активной сердцевины в лазерных световодах с двойной оболочкой используют волокна с некруглой формой внутренней оболочки (D-образной, прямоугольной, квадратной и др.) (рисунок 2.13). В активных волокнах с двойной оболочкой круглой геометрии внутренней оболочки значительная доля мощности многомодового поля накачки распространяется вне области активной сердцевины и поглощается материалом оболочки.

Рисунок 2.13 - Волокно с различными формами внутренней оболочки.

 

У лазерных световодов некруглой геометрии внутренней оболочки эффективность накачки значительно больше, чем круглой.

Накачка активных световодов может осуществляться не только с торца, как это рассмотрено выше. На рисунке 2.14, а,б представлено две альтернативных схемы введения накачки в лазерное волокно: с использованием V-образных канавок (а) и дифракционных решеток (б),изготовленных на боковой поверхности световода. Достоинством этих схем является возможность добавления источников накачки по длине активного световода по мере истощения мощности от предыдущего источника.

 

Рисунок 2.14 – Схемы введения накачки в лазерное волокно:

а) с использование V-образных канавок, б) дифракционных решеток

 

На рисунке 2.15 изображена схема, обеспечивающая накачку, распределенную по длине активного волокна. В ней используется два световода. Один из световодов (активный) имеет сердцевину, легированную рабочими ионами, второй (пассивный) с сердцевиной из высокочистого кварцевого стекла. Излучение накачки от лазерного диода вводится в пассивный световод. В области контакта световодов происходит перекачка излучения накачки из пассивного световода в активный.

 

Рисунок 2.15- Схема с распределенной по длине волокна накачкой

 

На рисунке 2.16 приведена одна из типовых схем волоконного лазера с накачкой в оболочку световода. Излучение от полупроводникового лазера накачки линзой фокусируется через зеркало 31 на торец активного световода с двойной оболочкой, обеспечивая в нем необходимую для генерации инверсную населенность.

Резонатор лазера образован из двух плоских зеркал 31 и 32. Они вплотную пристыковываются к торцам активного световода. Для этого торцы световода делаются плоскими путем скалывания. Одно из зеркал 31 (входное для излучения накачки) имеет малый (~1%) коэффициент отражения R на длине волны накачки λн и R = 99% на длине волны генерации λг.

 

 

Рисунок 2.16 - Типовая схема волоконного лазера с накачкой в оболочку световода

 

Второе зеркало 32, входное для лазерного излучения, должно иметь обратные характеристики тики R ~ 99% для λн и R ~ (2÷10)% для λг. Часто выходное зеркало 32 не устанавливают, его заменяет выходной торец лазерного световода, обеспечивающий неселективное (≈ 4%) отражение.

Длина лазерных световодов колеблется от единиц до нескольких десятков метров. Концентрация активных ионов редкоземельных элементов в них составляет величину несколько единиц на 1019 см3. .Поглощение излучения накачки, распространяющегося по оболочке активного световода, составляет обычно единицы дБ/м. Избыточные (не резонансные) потери в оболочке в среднем составляют величину ~ 50 дБ/км.

Приведенная выше схема волоконного лазера имеет существенный недостаток - наличие в нем объемных элементов: зеркал и линз.

Устранить этот недостаток удалось путем формирования так называемых бреговских зеркал непосредственно в волоконных световодах. Формирование бреговских зеркал в волоконных световодах основано на фоторефрактивном эффекте, состоящем в стабильном изменении показателя преломления материала сердцевины световода под действием ультрафиолетового излучения. Бреговское зеркало представляет собой участок волновода длиной в несколько сантиметров, показатель преломления в котором изменяется с периодом порядка длины волны распространяющегося излучения. Такой участок волокна подобен интерференционному зеркалу, в котором, благодаря интерференции волн, возникающих от слоев с разным показателем преломления, обеспечивается селективное отражение. Меняя длину отрезка волокна, на котором записана бреговская решетка, и глубину модуляции показателя преломления, можно регулировать коэффициент отражения такого зеркала в широких пределах (от ~ 99 % до единиц %).

На рисунке 2.17 приведена схема цельноволоконного лазера. Крестиками (х) отмечены места сварки волокон. Резонатор лазера образован двумя бреговскими зеркалами. Коэффициент отражения первого зеркала на частоте генерации обычно близок к единице (~99 %), второго, выходного, от 10 % и меньше. Накачка осуществляется полупроводниковым лазером с волоконным выходом.

Как отмечалось выше, в волоконных лазерах в качестве активных частиц, в системе которых создается инверсия населенностей, являются ионы редкоземельных элементов: неодим Nd3+, гольмий Но3+, эрбий Er3+, тулий Tm3+, эттербий Yb3+. Излучение волоконных лазеров лежит в диапазоне длин волн (0,92-5-2,1) мкм.

 

 

Рисунок 2.17 - Схема цельноволоконного лазера

 

Что касается характеристик волоконных лазеров, выполненных на световодах, легированных разными активными ионами, то общим для них является линейная зависимость мощности генерации от мощности накачки. Частота генерации и ширина спектра излучения, как и всех других лазеров, естественно индивидуальны и определяются люминесцентными свойствами используемых активных сред, параметрами резонатора и т. д.

В настоящее время разработаны непрерывные волоконные лазеры в чисто волоконном исполнении (с бреговскими зеркалами) с выходной мощностью до десятков ватт. При использовании объемных зеркал мощность одномодовых волоконных лазеров составляет ≈ 100 Вт. Получение большей мощности с использованием одномодового волокна ограничивается возникновением оптического пробоя волокна. Используя суммирование мощностей набора таких лазеров в единый жгут, создают лазеры с выходной мощностью несколько киловатт. Коэффициент полезного действия (КПД) волоконных лазеров зависит от КПД используемых лазеров накачки, эффективности ввода излучения накачки в активное волокно, его параметров, квантовой эффективности рабочего перехода активных частиц. Для иттербиевых и эрбиевых волоконных лазеров, имеющих высокую эффективность рабочего перехода (≈ 100%), КПД достигает величин ≈ 30%. КПД других волоконных лазеров меньше.

Основная область применения мощных волоконных лазеров – это обработка материалов и медицина.

Активные световоды, легированные ионами эрбия, нашли применение в системах оптической связи в качестве источников и усилителей сигнала. Это связано с тем, что линия люминесценции таких световодов совпадает со спектральной областью минимальных оптических потерь волоконных световодов, изготовленных на основе кварцевого стекла и используется в оптических линиях связи.

 

Контрольные вопросы

 

1. Классификация источников излучения.

2. Какие требования необходимо соблюдать при выборе источника излучения?

3. Какие источники излучения используются в интегральных цепях?

4. Опишите принцип работы электролюминесцентного излучателя.

5. Опишите принцип работы светодиода.

6. Назовите основные характеристики светодиода.

7. Опишите структуру и принцип работы светодиода с управляемым цветом свечения.

8. Что такое лазер?

9. Как осуществляется положительная обратная связь в лазере?

10. Что такое мода лазера?

11. Что такое добротность лазерного резонатора?

12. Что такое когерентность лазерного излучения?

13. Как определяется размер пучка лазерного излучения?

14. Как определяется расходимость лазерного излучения?

15. Что такое диаграмма направленности лазерного излучения?

16. От каких факторов зависит ширина спектральной линии.

17. Назовите основные элементы лазера.

18. Назовите и кратко охарактеризуйте основные способы накачки.

19. Укажите условия возникновения генерации излучения в квантовой системе.

20. Что такое добротность оптического резонатора.

21. Что такое когерентность лазерного излучения.

22. Какими факторами определяется расходимость лазерного излучения.

23. Сформулируйте принцип работы полупроводникового лазера.

24. Сформулируйте принцип работы волоконного лазера.

25. Опишите схемы накачки волоконного лазера.

26. Опишите работу резонатора.

27. Какой излучательный переход электрона называют прямым переходом?

28. Что такое непрямой переход?

 

Приемники излучения

 

Устройство, предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический, называется приемником оптического излучения или фотоприемником (ФП). К приемникам относятся устройства, преобразующие ИК или УФ излучение в видимое, например, электронно-оптические преобразователи, фотопленки различных видов и другие фоточувствительные материалы.

По механизму отклика (реакции) ФП на сигнал излучения фотоприемники разделяют на фотонные (или квантовые) и тепловые ФП.

Принцип действия фотонных приемников основан на внешнем или внутреннем фотоэффекте. Все фотонные приемники являются селективными, т.е. их чувствительность зависит от частоты (длины волны) излучения, падающего на фотоприемник.

К фотонным фотоприемникам относятся: фотодиоды, фоторезисторы, фотоэмиссионные приемники (ФЭУ); электронно-оптические преобразователи; усилители изображения; матричные преобразователи изображения (их чувствительные элементы представляют собой микроконденсаторы со структурой МОП, МДП).

К тепловым фотоприемникам относятся болометры различных типов, радиационные термоэлементы, пироэлектрические (сегментоэлектрические) ТФП.

В тепловых приемниках излучения энергия оптического излучения сначала преобразуется в тепловую, а затем лишь происходят изменения свойств фотоприемника: возникает термо-ЭДС (термоэлементы), изменяется проводимость (болометры), диэлектрическая постоянная (пироэлектрические приемники излучения). Тепловые приемники излучения неселективные. Болометры преобразуют оптический сигнал, воспринимаемый резистивным чувствительным элементом, в теплоту. Повышение температуры изменяет сопротивление элемента, регистрируемое электрической схемой.

Фотоприемники классифицируют по материалу чувствительного элемента и особенностям конструкции.

Конструктивно различают фотоприемники по наличию и отсутствию системы охлаждения (т.е. охлаждаемые и неохлаждаемые).

Классификация фотоприемников по материалу, из которого изготавливаются фотоприемники или по спектральному диапазону:

- ФП из кремния охватывают видимую область и ближнюю ИК до 1,1 мкм;

- ФП из германия охватывают видимую область и ближнюю ИК до 1,7 мкм;

- ФП на квантово-размерных структурах, т.е. на многослойных структурах из чередующихся сверхтонких слоев Si и Ge, расширяют диапазон чувствительности ФП во всей интересующей ИК области. Система AsGa/ AlAsGs позволяет регистрировать сигналы порядка 10 мкм;

- ФП на сульфиде свинца, селениде свинца, теллуриде свинца имеют чувствительность до 5 мкм.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотонные фотоприемники, можно разделить на три основных вида:

- Изменение электрофизических параметров (электропроводности) полупроводника за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда при его освещении – внутренний фотоэффект;

- Возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света – фотоэффект в запирающем слое;

- Испускание веществом электронов под действием света – внешний фотоэффект.

Фоторезисторы

 

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием света. Основным элементом является полупроводниковая пластина, на поверхности которой нанесены электропроводные электроды и сопротивление которой при освещении изменяется. Конструкция фоторезисторов показана на рисунке 3.1.

 

 

 

а) б)

Рисунок 3.1 - Конструкция фоторезистора:

а) поперечная и б) продольная

 

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором – в одной плоскости. В продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод, прозрачный для этого излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен мегагерц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную электрическую емкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах уже в сотни – тысячи герц.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток:

 

Iт = E / (Rт + Rн), (3.1)

 

где: Е - ЭДС источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн -сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных носителей заряда возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток:

 

Iс = E / (Rс + Rн). (3.2)

 

Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости Iф = Iс – Iт. Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают д

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...