Основи напівпровідникової електроніки

Для отримання ефекту квантового посилення або генерації коливань НВЧ необхідне використання як активної середи таких речовин, енергетичний спектр яких містив би енергетичні зазори в межах від 0,4 ·10^-5 до 1,2·10 ^-3 эВ, що відповідає довжинам хвиль від 30 см до 1 мм. Інтенсивні дослідження енергетичних спектрів широкого кола речовин в твердому, газоподібному і рідкому стані показали, що цим вимогам задовольняють багато які елементи і з'єднання. Так, в першому квантовому генераторі, створеному в 1954-1955 роках, як активна речовина були використані молекули аміаку (NH₃). Цей молекулярний квантовий генератор працював в діапазоні НВЧ на частоті 23870 МГц.

Надалі в квантовій електроніці діапазону НВЧ переважне використання знайшли тверді кристалічні речовини, володіючі парамагнітними властивостями. До таких речовин належить обширна група з'єднань, що містять парамагнітні іони хрому, заліза, паладію і інших.

У діапазоні НВЧ використовуються головним чином квантові парамагнітні підсилювачі, що володіють в порівнянні з підсилювачами на електронних НВЧ приладах рядом переваг. Основна перевага квантових підсилювачів - низький рівень власних шумів, величина якого в кращих зразках приблизно в 100 раз нижче за рівень шумів найбільш чутливих підсилювачів на електронних НВЧ приладах. Такий низький рівень шумів досягається в квантових підсилювачах ціною значних конструктивних ускладнень: активна речовина вміщується в кріостат - спеціальний охолоджуючий пристрій, що містить рідкий гелій і рідкий азот. Тому конструктивно квантовий підсилювач виходить досить громіздким і малопридатним для використання в радіосистемах на рухомих об'єктах.

По інших параметрах - динамічному діапазону, ширині смуги пропущення і інш. - квантові підсилювачі звичайно поступаються підсилювачам НВЧ коливань інших типів. Проте, внаслідок високої чутливості квантові підсилювачі знайшли широке застосування в стаціонарних системах сверхдалекої радіолокації, радіоастрономії, космічної телекомунікації і інш.

Квантові генератори коливань діапазону НВЧ досі не отримали застосування на практиці. Перевага в цій області залишається за електронними приладами НВЧ, здатними забезпечити значно більш високий рівень потужності генеруючих коливань і ККД, що володіють можливістю електронного управління частотою і відрізняються конструктивною простотою.

4.2. Квантовий парамагнітний підсилювач

Квантовим парамагнітним підсилювачем (КПП) називають такий пристрій, в якому збільшення енергії електромагнітної хвилі відбувається за рахунок індукованого випромінювання при парамагнітному резонансі речовини, що знаходиться в активному стані. Внаслідок когерентності індукованого випромінювання з тими, що підводяться до входу підсилювача електромагнітними коливаннями, посилені коливання на виході пристрої зберігають частоту, поляризацію і напрям поширення.

Існує декілька типів конструкції КПП: резонаторні підсилювачі, які в свою чергу поділяються на резонаторні підсилювачі прохідного і циркуляторного типів, а також квантові підсилювачі біжучої хвилі.

Парамагнітний кристал розміщений в спеціальний двохчастотний резонатор, один з можливих варіантів конструкції якого показаний на рис. 8.2.

Відрізок хвилеводу довжино n_н/2, де _н - довжина хвилі в хвилеводі, настроєний на частоту сигналу накачки. Резонатором для посилюючого сигналу служить відрізок смугової лінії довжиною _с/4, де _с - довжина хвилі на частоті сигналу.

У підсилювачі циркулярного (відбивального) типу для введення і виведення сигналу використовується один і той же фідер. Для розв'язки вхідного і вихідного ланцюгів використовується спеціальний пристрій - феритовий циркулятор. Особливість цього пристрою полягає в тому, що сигнал із вхідного плеча 1 може попасти тільки в плече 2, ведуче до резонатора, а відображений сигнал з плеча 2 - тільки в плече 3, що з'єднується з навантаженням; в 4 - плече встановлений узгоджений поглинач. Розв'язка між вхідною і вихідною лініями (плечі 1 і 3) становить 25…30 дБ. У резонаторному підсилювачі проходного типу усилений сигнал підводиться до резонатора через вхідний хвилеводний або коаксіальний фідер, проходить через активну речовину і через вихідний фідер відводиться в навантаження.

Іншу конструкцію має коливальна система в КПП біжучої хвилі. Сигнал, що посилюється підводиться до відрізка хвилеводу, всередині якого посередині розташована сповільнююча система штирового або якого-небудь іншого типу. По одну сторону від сповільнюючої структури розміщується парамагнітний кристал, а по іншу - вентильний кристал, що забезпечує невзаємність пристрою.

Застосування сповільнюючої структури дозволяє зменшити швидкість електромагнітної хвилі в десятки або сотні разів і тим самим отримати потрібну ефективність взаємодії хвилі з активною речовиною при довжині парамагнітного кристала в десятки або сотні разів менше тієї, яка була потрібна би для того ж ефекту у вільному просторі.

При будь-якій конструкції коливальної системи до парамагнітного кристала через окремий хвилевий або коаксіальний фідер підводиться від спеціального генератора сигнал накачки. Вентиль служить для захисту генератора накачки від впливу відображеної від коливальної системи хвилі. Атенюатор використовується для регулювання рівня потужності накачки, що підводиться до парамагнітного кристала.

З резонаторних підсилювачів найбільше поширення отримав циркуляторний, в якому ефективність взаємодії поля з активною речовиною приблизно в два рази більше, ніж в підсилювачі проходного типу. Це пояснюється тим, що у відбивному підсилювачі сигнал випромінюється лише в напрямі вихідного фідера, в той час як в проходному підсилювачі це випромінювання відбувається як через вхідний, так і через вихідний отвір зв'язку.

Як видно з рис. 8.1, активна речовина разом з коливальною системою фідерних ліній розміщується в судину, що містить рідкий газ. Такі судини, називаються судинами Д'юра, являють собою контейнери з подвійними стінками, з простору між якими відкачане повітря. Для підтримки дуже низької температури рідкого гелію (4,2⁰ К) внутрішня судина вміщена в зовнішню судину Д'юра, заповнену рідким азотом (Т=77⁰ К).

Глибоке охолоджування робочої речовини КПП і коливальної системи необхідно по ряду причин.

По-перше, зниження температури робочої речовини до температури рідкого гелію дозволяє різко збільшити різницю населеності на робочому переході і отримати в КПП досить великі коефіцієнти посилення (20…30) дБ.

Друга причина - глибоке охолоджування підсилювача зменшення інтенсивністі теплових процесів в активній речовині і відповідне збільшення часу релаксації системи. При низьких температурах, таким чином, для отримання потрібного коефіцієнта інверсії населеності потрібна менша потужність сигналу накачки.

І, нарешті, глибоке охолоджування дозволяє істотно знизити рівень власних шумів підсилювача, природа яких має в основному тепловий характер (теплове випромінювання активної речовини, стінок резонатора, хвилеводів і т.п.)

Постійне магнітне поле утворюється магнітами, які можуть бути розташовані поза системою охолоджування. Вага таких магнітних систем досягає десятків і сотень кг. У сучасних конструкціях квантових підсилювачів для цієї мети використовуються електромагніти з струмопроводом з надпровідних матеріалів, що розміщуються разом з резонатором в судині з рідким гелієм. Такі магніти не потребують постійних джерел струму. Після збудження струму їх обмотки закорочуються надпровідною перемичкою. Вага таких магнітних систем невелика і значно менше ваги охолоджуючої системи.

Активна речовина. Як активна речовина в квантових парамагнітних підсилювачах може бути використано ряд кристалів: рутіл (TiO₂), вольфрамати (MgWO₄; ZnWO₄; CdWO₄), з домішкою іонів Cr³⁺ або Fe³⁺ і інші з'єднання. Однак, найбільш широке застосування знаходять кристали рубіна.

Система робочих рівнів. Магнітні властивості рубіна визначаються наявністю в кристалі парамагнітних іонів Cr³⁺. Вільний іон хрому при відсутності електричного і магнітного полів має чотирикратно вирождений основний енергетичний рівень Е₁, який приведений на рис. 8.3, а.

Через наявність сильного внутрішньокристалічного електричного поля частково знімається виродження основного рівня і він виявляється розщепленим на Е₁' і Е₁", яким відповідає частота квантового переходу 11,9 ГГц (Штарковське розщеплення). При розташуванні кристала рубіна у зовнішнє магнітне поле кожний рівень розщеплюється на два, причому, відстань між рівнями залежить від значення індукції магнітного поля В і від кута між напрямом магнітного поля і віссю симетрії кристала. На рис. 8.3, б кут = 0⁰, в цьому випадку спостерігається лінійна залежність Е=f(В). При інших кутах ці залежность будуть нелінійними.

Вибір робочих енергетичних рівнів в рубіні багато в чому залежить від робочої частоти підсилювача.

У діапазоні хвиль (3…5) см (6…10) ГГц частіше за все використовуються чотири енергетичних рівня кристала рубіна, орієнтованого відносно зовнішнього магнітного поля під кутом =54⁰ 44' (рис. 8.4). Криві Е=f(В) для цього випадку симетричні відносно середньої лінії, що вельми зручно для реалізації схеми подвійної накачки. Тому кут =54⁰ 44' в літературі часто називають кутом подвійної накачки.

Енергетична накачка ведеться пушпульно: одночасно на переходах 1>3 і 2>4, частоти яких рівні (н₁₃ = н₂₄) в широкому діапазоні зміни магнітного поля В. При цьому заселяється верхній рівень Е₃ робочего переходу 3>2 і збіднюється його нижній рівень Е₂.

При робочій частоті сигналу (6…10) ГГц як генератор накачки може бути використаний, наприклад, клістронний генератор з частотою f ? (12…20) ГГц.

На більш довгих хвилях (>5см, f<6 ГГц) частіше за все використовуються системи з трьох робочих рівнів при орієнтації кристала під кутом =90⁰. На рис. 8.5 показані робочий перехід 4>3 і перехід накачки 1>4 або що теж саме 2>4, так як в слабком магнітному полі рівні Е₁ і Е₂ практично зливаються. Цей режим вигідний можливістю використання слабкого магнітного поля, порядку (200…700) Гс.

На цьому ж рисунку показаний ще один варіант отримання робочого переходу (частота сигналу н₂₁), тільки при використанні більш сильного магнітного поля, яке однак окупається великим коефіцієнтом інверсії (а, отже, і великим коефіцієнтом посилення).

4.3 Параметри і характеристики квантових парамагнітних підсилювачів

Основними параметрами КПП є: робоча частота н_c або довжина хвилі _c сигналу, для посилення якого розрахований підсилювач; частота н_н або довжина хвилі _н сигнала накачки; смуга пропущення підсилювача н_c; коефіцієнт посилення сигналу по потужності K_р; величина магнітної індукції В_о або напруженості Н_о зовнішнього постійного магнітного поля; температура робочої речовини; чинник шумів або температура шумів і динамічний діапазон підсилювача.

Вибір робочої речовини і конструкції НВЧ пристроїв багато в чому визначається робочою частотою сигналу. В свою чергу конструктивне рішення істотно впливає на величини коефіцієнта посилення, смуги частот, що посилюються і інших параметрів.

КПУ використовуються для посилення сигналів в досить широкому діапазоні НВЧ від 0,6 до 75 ГГц. Енергетична накачка в КПП звичайно здійснюється за допомогою клістронних генераторів з відповідною частотою сигналу.

Звичайно КПП працює при температурі рідкого гелію (Т=4,2⁰K). Величина індукції магнітного поля лежить в межах 0,1-5 кгс, збільшується по мірі скорочення довжини хвилі. Коефіцієнт посилення і смуга пропущення КПП істотно залежить від конструкції їх коливальної системи. Величина коефіцієнта посилення резонаторних підсилювачів відбивного типу звичайно не перевищує (20…25) дБ, а величина смуги пропущення лежить в межах від десятих часток до одиниць мегагерц. У КПП біжучої хвилі величина K_P досягає 50дБ, а смуга пропущення становить (20…30)% від центральної робочої частоти.

Динамічний діапазон КПП (діапазон зміни потужності вхідного сигналу, в межах якого квантовий підсилювач забезпечує необхідне посилення сигналу і його виділення на виході пристрою) в області малопотужних сигналів обмежений величиною власних шумів. З іншої сторони, він обмежується режимом насичення робочого переходу активної речовини.

При подачі на вхід підсилювача могутнього сигналу розвивається інтенсивний процес індукованих переходів часток на робочому переході, населеність верхнього рівня цього переходу різко зменшується і коефіцієнт посилення падає. При досить великій потужності вхідного сигналу робочий перехід може виявитися в режимі насичення, коли населеність верхнього і нижнього рівнів буде приблизно рівні. Для КПП Р_{вх.макс.}? 10^-6 Вт. Власні шуми КПП визначаються, головним чином, спонтанним випромінюванням активної речовини і тепловим випромінюванням стінок резонатора.

Температура шумів власне КПП надзвичайно низька, вона не перевищує одиниць ⁰K. У реальних пристроях до власних шумів КПП додаються шуми антени, фідерних пристроїв і інш.

5. Квантові прилади оптичного діапазону (лазери)

напівпровідниковий діод транзистор квантовий оптичний

5.1 Основні відомості про квантові прилади оптичного діапазона

Оптичними квантовими приладами називають прилади, що використовують явища індукованого випромінювання для генерації або посилення електромагнітних коливань в оптичному діапазоні: ультрафіолетовому ( 0.01…0.38 мкм), видимій (0.38…0.77 мкм) і інфрачервоній (0.77…340 мкм) області спектра.

Найбільше поширення в техніці отримали оптичні квантові генератори; підсилювачі оптичних коливань використовуються порівняно рідко. Лазери поділяються по характеру робочої речовини на три великі групи: газові, твердотільні і напівпровідникові. Розробляються також речовинні лазери. У газових лазерах робочою речовиною служать, головним чином, інертні гази або їх суміші. Робоча речовина твердотільних лазерів - кристалічні і аморфні діелектрики з домішкою різних активаторів. У напівпровідникових лазерах як робоча речовина використовують частіше всього арсенід галію.

Класифікаційними ознаками також служать: режим роботи (імпульсний або безперервний), діапазон робочих частот, конструктивні особливості, метод накачки і інш.

Фізичні принципи роботи лазерів ті ж, що і для інших квантових приладів. У лазерах, як і в квантових приладах діапазону НВЧ, використовується принцип індукованого випромінювання при квантових переходах часток в робочій речовині з інверсною населеністю енергетичних станів. Відмітні особливості лазерів пов'язані зі специфікою оптичного діапазону. Основна відмінність полягає в конструкції і параметрах резонаторних систем. Оптичні резонатори, виконуючи ті ж функції, що і резонатори діапазону НВЧ, багато в чому відрізняються від них і внаслідок цих відмінностей істотним чином впливають на характеристики лазерного випромінювання.

У цей час відомі сотні різних елементів і з'єднань в твердому, газоподібному і рідкому станах, на яких отриманий лазерний ефект.

Структурна схема лазера показана на рис. 9.1. Активна речовина вміщується в оптичний резонатор, основне призначення якого - забезпечити багаторазове проходження індукованого випромінювання через активну речовину. Система накачки покликана забезпечити в активній речовині інверсну населеність.

Значна частина лазерів працює при температурах рідкого гелію (4,2⁰ K) або рідкого азоту (77⁰ K). У цих випадках використовуються кріостати для охолоджування активної речовини, в ряді конструкцій - разом з оптичним резонатором.

5.1.1 Оптичний резонатор

Оптичний резонатор являє собою парі тих, що відображають елементів, звернених один до одного. З іншого боку, об'єм резонатора нічим не обмежений, і тому оптичний резонатор часто називають відкритим.

Як відображаючи елементи використовують плоскі дзеркала (рис. 9.2, а), сферичні або параболічні дзеркала (конфокальний резонатор, рис. 9.2, б), призми повного внутрішнього відображення (рис. 9.2, в) або комбінацію цих елементів (рис. 9.2, г). Одне з дзеркал роблять просвічуваністю, через нього промінь лазера виходить назовні. У випадку використання двох призм промінь виводиться за допомогою просвічуваності дзеркала, розташованого під кутом до осі резонатора.

У напівпровідникових лазерах відображаючими поверхнями служать грані кристала напівпровідника (рис. 9.2, д). У літературі іноді оптичні резонатори називають резонаторами Фабри-Перо, оскільки резонатор, утворений парою плоских дзеркал по суті справи є основою інтерферометра Фабри-Перо.

Умови резонансу в оптичному резонаторі в загальних рисах нічим не відрізняються від подібних умов в інших резонансних системах. Стояча хвиля утвориться в резонаторі при умові, що на його довжині L укладається ціле число полухвиль L=. Таким чином, резонансні довжини хвиль рівні

, (9.1)

де n = 1,2,3,... - ціле число.

Для резонансних частот можна записати

, (9.2)

де с - швидкість світла.

Отже, ідеальний оптичний резонатор характеризується лінійчатим спектром частот. Відстань між сусідніми резонансними частотами рівно

, (9.3)

Оптичний резонатор, як і будь-який інший, володіє власними втратами за рахунок дифракції світла, неідеального відображення дзеркал і інш. Тому його смуга має кінцеву ширину _p (9.3). Її величина рівна

, (9.4)

де - резонансна частота, а Q - добротність резонатора.

де - коефіцієнт сумарних втрат в резонаторі. Величина _p весьма мала. Так, наприклад, при = 0.01 і L = 50 см отримуємо_p ? 1 МГц.

До числа основних втрат, що визначають величину добротності резонатора, можна віднести наступні. Об'єм резонатора заповнюється активною речовиною, в якій неминучі втрати світла. Особливо великі втрати в твердотільних активних середовищах. Величину цих втрат оцінюють коефіцієнтом втрат _p. Зеркала, створюючі резонатор, не ідеальні, тому коефіцієнт відображення від їх поверхні не рівний одиниці. Втрати при відображенні прийнято оцінювати твором (1-с₁) (1-с₂), де с₁ і с₂ - коефіцієнти відображення від першого і другого дзеркал відповідно. Для оцінки втрат за рахунок дифракції на краях дзеркал і випромінювання через бічні поверхні також вводять спеціальний коефіцієнт втрат _y. Можна назвати і ряд інших причин втрати електромагнітної енергії в резонаторі, однак, як правило, ці втрати значно нижче перерахованих.

Характеристики випромінювання. Ширина ?н_л спектральної лінії випромінювання на робочому переході активної речовини, як правило, значно більше ширини линии ?н_р оптичного резонатора. При цьому можливі різні співвідношення між величиною ?н_л і відстанню між сусідніми резонансними частотами резонатора авило, значно ?н _л< С/2L (рис. 9.4, а) коливання в лазері можуть виникнути лише на одній резонансній частоті н_n. При цьому відбувається різке скорочення величини спектра випромінювання.

Умови резонансу, а, отже, і багаторазового проходження через активну середу і значного квантового посилення виконуються лише для тих частот всередині спектральної лінії ?н _л , які попадають в ?н _р оптического резонатора. Більш того внаслідок нерівномірність посилення в межах резонансної смуги ?н _р. линии випромінювання вужчає ще більше. Переважаюче розмноження фотонів в активній середі відбувається в дуже вузькій області частот, що примикає до резонансній частоті.

Теоретична ширина лінії випромінювання може бути визначена по формулі

, (9.6)

де Р - потужність випромінювання.

При Р=10^-3 Вт, Дн_р? 1 мГц і н ?3*10⁵ ГГц величина ?н₀ має порядок сотих часткою герц. У реальних пристроях через спонтанного випромінювання, нестабільності геометричних розмірів резонатора ширина лінії випромінювання на багато порядків більше, однак її величина все ж у багато разів менше смуги ?н_р, так що випромінювання близько до монохроматичного.

В случае, або ?н_л > С/2L, в кордони, що визначаються шириною лінії Дн_л, попадає декілька резонансних частот (рис. 9.4, б). Отже, випромінювання може відбуватися у вигляді цілого спектра частот, причому на кожній з них випромінювання буде близьке до монохроматичного. Виділення однієї з цих частот в лазерах досягається за рахунок встановлення рівня потужності накачки, при якому порогові умови виконуються лише для однієї частоти, найближчої до центру лінії ?н _л .

Випромінювання лазера, крім спектрального складу, характеризується спрямованістю. Випромінювання лазера когерентний, і він являє собою джерело практично паралельних променів. Розходження променів визначається, головним чином, дифракцією. Величина кута розходження в лазерах виміруться хвилинами і збільшується в напівпровідникових лазерах до декількох градусів.

5.1.2 Умови виникнення генерації

У квантовому генераторі, як і в будь-кому другом, генерація виникає при умові перевищення потужності індукованого випромінювання над потужністю сумарних втрат, включаючи корисне випромінювання лазера.

У першому наближенні можна вважати, що сумарна потужність втрат

Р_n = P_изл + Р_пр, (9.7)

росте пропорціонально Е_рез - енергії, що запасається в резонаторі (рис. 9.5).

У рівнянні (9.7) величини Р_изл і Р_пр обозначают вихідний потужність випромінювання і потужність втрат в резонаторі відповідно. У те же час по мірі зростання енергії, запасеній в резонаторі, потужність індукованого випромінювання прагне до деякої межі, що визначається умовами динамічної рівноваги процесів накачка і індукованих переходів. При фіксованому рівні потужності сигналу накачка швидкість заселення верхнього рівня робочого переходу має певну величину. При збільшенні числа індукованих переходів вниз населеність цього рівня меньшає все більше, система накачки не устигає заселяти його частками і інтенсивність індукованого випромінювання падає. Величина межі, до якого прагнути потужність Р_л, визначається багато в чому потужністю Р_н сигналу накачки. Тому регулюючи величину Р_н, можна змінювати порогові умови виникнення генерації.

Стаціонарне значення Р_ст выходной потужності лазера визначається точкою А (рис. 9.5) перетину залежності Р_n = f(Е_рез) і Р_л = ц (E_рез). Як було показано, інтенсивність розмноження фотонів в активній речовині визначається величиною квантового посилення ч. Процес квантового посилення протікає згідно з експонентному законом. Для виникнення генерації експонента у рівнянні

повинна бути більше одиниці

, (9.8)

Для лазера, враховуючи розглянуті вище втрати і вважаючи, що промінь, відбиваючись від двох дзеркал, двічі проходить активну речовину, цю умову можна записати у вигляді

. (9.9)

5.2 Газові лазери

5.2.1 Визначення

Газовими лазерами називаються оптичні генератори, в яких активною речовиною служить газ, що складається з атомів, іонів або молекул або ж суміш газів.

5.2.2 Класифікація

Відповідно до фізичної природи газу розрізнюють атомарні, іонні і молекулярні лазери. Іноді назва лазера містить найменування робочої речовини, наприклад, "гелій-неоновий лазер" або "лазер на молекулах Н₂O". Газові оптичні генератори розрізнюють також по методу створення інверсної населеності. Прилади, в яких інверсія населеності досягається за рахунок співпопадання часток газу (атомів, іонів або молекул) з швидкопролітаючими електронами при електричному розряді, називають газорозрядний лазерами. Хімічні лазери - квантові прилади, в яких газ переходить в активний стан за рахунок швидкопролітаючих хімічних реакцій, молекул, що супроводяться руйнуванням (дисоціацією). Нарешті, в газових лазерах деяких типів використовують типи енергетичної накачки.

5.2.3 Матеріали

У газових лазерах як активне середовище використовуються різноманітні гази: газоподібний вуглець, хлор, цезій, йод, ртуть, кисень, молекули окислу (СО) і двоокиси (СО₂) вуглецю, азоту, двоокису азоту (N₂O), води, аміаку (NH₄, NH₃) і інш. Однак найбільш широко використовуються інертні гази: аргон, неон, гелій, криптон, ксенон і вони суміші. У робочому об'ємі лазера газ звичайно знаходиться в розрядженому стані, при тиску від сотих часток до декількох міліметрів ртутного стовпа. Внаслідок невеликої щільності газу світлові промені в робочому об'ємі лазера майже не розсіюються. Це дозволяє розташовувати дзеркала оптичного резонатора на досить великій відстані друг від друга і, отже, отримувати випромінювання з високою мірою спрямованість і монохроматичності. З іншого боку, в газах не можна отримати таке ж велике число активних часток, як, наприклад, в твердому тілі. Тому потужність випромінювання газових лазерів значно менше, ККД нижче.

Загальний діапазон випромінювання газових лазерів надзвичайно широкий - від ультрафіолетових до субміліметрових хвиль (?0,2 - 400 мкм). Більшість газових лазерів відрізняється високої монохроматичністю випромінювання, малим кутом розходження променя, високою стабільністю частоти.

Газові лазери мають досить значні габарити.

5.2.4 Гелій - неоновий (атомарний) лазер

Пристрій лазера на суміші He-Ne схематично показаний на рис. 9.6. Скляна або кварцова трубка - газова кювета 1 заповнена сумішшю газів гелію і неону, парціальні тиски яких різні (гелій при Р ?1мм рт. ст., а неон при Р? 0,1 мм рт.ст.).

Довжина кювети в різних генераторах може бути різною - від декількох сантиметрів до декількох метрів, діаметр кювети d ? см. К торцям кювети приварені скляні або кварцові пластини 2, розташовані відносно осі кювети під кутом Брюстера . По обидві сторони кювети розташовуються угнуті або плоскі дзеркала 3, створюючі оптичний резонатор. Одне з цих дзеркал, через яке світловий промінь виходить назовні, робить просвічуваністю або забезпечують центральним отвором. У деяких лазерах дзеркала вміщуються всередині газової кювети. У будь-якому випадку система дзеркал забезпечується юстировочними механізмами для ретельного регулювання взаємного розташування дзеркал. При використанні тліючого розряду на постійному струмі анод 4 і катод 5 розміщують в спеціальних паростках, що приварюються до кювети. До цих електродам підводять високе напруження 1-2 кВ на метр розрядного проміжку.

5.2.5 Принцип роботи

Робочим середовищем служить суміш двох газів - гелію і неону, а лазерними рівнями - енергетичні рівні збуджених атомів неону. Лазери, в яких використовують рівні збуджених атомів, називають атомарними. Спрощена діаграма нижніх енергетичних рівнів гелію і неону для одного з режимів генерації, що використовуються

Оптичні спонтанні переходи з енергетичного стану 5 атома гелію в основне 1 виявляються забороненими. Отже, стан 5 має великий час життя по спонтанних переходах, тобто є метастабільним. Цей час життя порядку 10^-3 с. Збуджений рівень 4 атома неону по енергії дуже близький до рівня 5 гелію (різниця в енергії становить 0,04 еВ). Для створення інверсії населеності використовують електричну накачка. При розряді за рахунок непружних зіткненнях з швидкими електронами відбувається збудження атомів гелію: атоми гелію переходять з основного стану 1 в збуджений метастабільний стан 5 по схемі

He ₍₁₎ + > He ₍₅₎ + е,

де число в дужках означає номер рівня на мал. 9.7, а і е - швидкий і повільний електрони. У результаті зіткненнях кінетична енергія електрона меншає. Що з'явилися внаслідок розряду збуджені атоми гелію стикаються з незбудженими атомами неону - іншого газу суміші. У результаті непружних зіткненнях збуджений атом гелію He₍₅₎ передає свою кінетичну енергію незбудженому атому неону Ne₍₁₎ і переходить в основний стан He₍₁₎. При цьому незбуджений атом неону переходить в збуджений стан Ne 4(4) 0. Таким чином, схема процесу зіткнення має вигляд

He₍₅₎ + Ne₍₁₎ > He₍₁₎ + Ne₍₄₎.

Цей процес передачі енергії йде досить ефективно, оскільки різниця в енергіях станів He₍₅₎ і Ne₍₄₎ очень мала. Енергія, яку віддає атом гелію, майже повністю переходить до атома неону, а невеликий надлишок енергії атома гелію переходить в кінетичну енергію атомів, що стикаються. Для отримання інверсії населеності важливо також співвідношення часу життя рівнів 4 і 3 лазерного переходу. Час життя верхнього рівня 4 переходу, пов'язаній зі спонтанним випромінюванням, повинне бути більше, ніж у нижнього рівня 3. При цій умові швидкість убування населеності верхнього рівня менше швидкості убування населеності нижнього рівня і, таким чином, можлива підтримка інверсії населеності. Для гелію-неонового лазера ця умова виконується, оскільки час життя верхнього рівня біля 10^-7 с, а нижнього рівня - біля 10^-8 с.

Атоми гелію є посередниками при передачі енергії від швидких електронів до атомів неону. Тому гелій можна назвати допоміжним, а неон - основним, або робочим газом. Взагалі, існує і зворотний, небажаний, процес - передача енергії від атомів неону до атомів гелію. Щоб переважала передача енергії від атома гелію до атомів неону, необхідне значне переважання концентрації допоміжного газу (гелію) над концентрацією неону. Звичайно відношення концентрації гелію і неону становить 5…15.

Причиною, яка може переводити атоми неону з метастабільного стану 2 в основне, є зіткнення атомів зі стінками судини внаслідок дифузії. Тому потрібно полегшити дифузію збуджених часток до стінок. Очевидно, для цієї мети необхідно зменшити діаметр газорозрядної трубки. Тому в гелії-неонових лазерах діаметр трубки не перевищує 10 мм.

На рис. 9.7 приведена спрощена схема енергетичних рівнів. У дійсність число рівнів більше і можливо збудження коливань на декількох частотах. У гелій-неонових лазерах отримане інфрачервоне випромінювання (=3,39 мкм і =1.11 мкм) і взаємне випромінювання (=0,63 мкм) з потужністю декілька десятків і стільники міліват.

У гелій-неоновому лазері, як і в інших газових лазерах, концентрація часток невелика (10¹⁶…10¹⁷ см^-3). Тому можна нехтувати впливом взаємодії часток на ширину лінії випромінювання. У спеціально сконструйованих лазерах цього типу вона складає декілька герц і, отже, є принципова можливість отримати стабільність частоти в одночастотному режимі роботи 10^-13…10^-14. Реальне вживання заходів по підвищенню стабільності частоти забезпечує довготривалу стабільність частоти гелію неонових лазерів до 10^-8…10^-10. Роозходження випромінювання гелію-неонових лазерів дуже мала і, як правило, становить 1…3', а діаметр променя - 1…3 мм. Гелій-неонові лазери відносяться до джерел когерентний випромінювання малої потужності. Потужність серійних лазерів не перевищує 0,1 Вт. Ресурс роботи лазерів приблизно рівний 1000…5000 годин. Гелій-неонові лазери мають найвищу тимчасову і просторову когерентність, тобто найвищу монохроматичність і спрямованість випромінювання і високу стабільність частоти.

5.2.6 Іонні лазери

У іонних лазерах використовують енергетичні переходи між збудженими станами іонів інертних газів. У цих лазерах застосовують чисті інертні гази: аргон, криптон, ксенон, неон.

Найбільше поширення отримав аргоновий лазер.

Енергетичні рівні основного і збудженого стану іона розташовані набагато вище за рівні збуджених станів нейтральних атомів, тому ймовірність прямого збудження цих рівнів дуже мала. Вважається, що заселення рівнів іонів відбувається внаслідок ступінчастого збудження при зіткненнях електронів з іонами, що знаходиться в основному стані. Для отримання великою потужності необхідна висока концентрація іонів в розряді. Тому застосовується дуговий розряд з великим струмом (декілька десятків ампер). Щільність струму досягає 1000 А/см². Для підвищення щільності розряду в іонних лазерах застосовують подовжне магнітне поле, яке утримує заряджені частки поблизу осі трубки. Використання магнітного поля (У=0,2…0,4 Тл) дозволяє збільшити вихідну потужність в декілька раз. Потужність іонних лазерів досягає декілька ват. При збільшенні газорозрядної трубки до 2м вдалося отримати потужність 30…50 Вт. Однак, ККД іонних лазерів залишається дуже низьким - до 0,1 %. Розряд створюється в кварцовій трубці невеликого діаметра (1…3 мм) з вікнами, розташованими під кутом Брюстера. Резонатор утворений зовнішніми дзеркалами. Капіляр охолоджується проточною водою. Робочий тиск в кюветі складає, приблизно, 1мм.рт.ст. Імпульсна потужність серійних лазерів знаходиться в межах від декількох ват до 1 кВт, і частота проходження імпульсів досягає 1 кГц.

Іонні газові лазери є основним джерелом безперервного і імпульсного когерентний випромінювання в синьо-зеленій і ультрафіолетової областях спектру оптичного діапазону. Вони знаходять широке застосування в підводній локації і підводному телебаченні, аерофоторозвідки, в медично-біологічних і інших дослідженнях.

5.2.7 Молекулярні лазери

У молекулі, що складається з декількох атомів, внутрішня енергія визначається не тільки енергією електронів атомів, але і енергією коливального рушення атомів, яка квантується і характеризується своїми рівнями. У молекулярних лазерах використовують енергетичні коливальні рівні, розташовані не дуже високо над основним. Це полегшує генерацію коливань, дозволяє отримати меншу їх частоту і перейти в інфрачервоний діапазон.

На рис 9.8 показана спрощена структура коливальних рівнів вуглекислого газу CO₂, а також енергетичний коливальний рівень 6 молекули азоту, який додається в CO₂ для значного збільшення потужності. Лазерними переходами в суміші CO₂ і N₂ являются переходи 5>4 з довжиною хвилі 10,6 мкм або 5>3 (=9,6мкм) .

Відстань між верхнім лазерним рівнем 5 і основним 1 рівна 0,35еВ. Процес створення інверсії населеності в молекулярному лазері на CO₂ происходит таким чином. У розряді при непружних зіткненнях з електронами збуджуються молекули CO₂ і N₂. Непружні удари електронів спричиняють збудження коливальних рівнів молекули CO₂ і азоту. Крім того, є непружні зіткнення молекул N₂ і CO₂, що приводять верхнього рівня 5. Ефективність збудження цього рівня велика, оскільки він розташований близько до рівня N₂. Рівні 6 і 5 мають великий час життя. Рівень CO₂ має малий час життя, так як населеність цього рівня швидко меншає із-за безвипромінювальної передачі енергії обертальному рушенню (обертальним станом). Цей процес називають обертальною релаксацією. Час життя більш низьких рівнів 3 і 2 так само малі, але внаслідок коливальною релаксацією. Таким чином, виконуються умови для отримання інверсної населеності рівнів 5 і 4, 5 і 3.

У молекулярних лазерах використовується тліючий розряд в трубках великої довжини (1-5м). Напруження на розрядному проміжку досягає 10кВ, а оптимальний струм розряду складає десятки і сотні міліампер. Через особливості процесу отримання інверсії населеності в CO₂ спостерігається, на відміну від гелію-неонового лазера, слабка залежність вихідної потужності від діаметра газорозрядний трубки. Діаметр трубок може бути збільшений до 10 див., що приводить до збільшення числа часток в об'ємі і зростанню потужності. Однак подальше збільшення діаметра не має практичного значення, оскільки відомо, що перетин розряду перестає збільшуватися. Великий перетин розряду і значна довжина трубок дозволяє отримувати дуже великі потужності. У окремих лазерах ця потужність в безперервному режимі перевищує 1 кВт при ККД рівному 5-15%. Перевага лазерів на CO₂ полягає ще і в тому, що його випромінювання ( =10,6 мкм) слабо поглинається в атмосфері.

Конструкції лазерів на CO₂ і гелії-неоновій суміші мають багато загального. Однак, дуже серйозні вимоги пред'являють до конструкції вікон і дзеркал, в яких може відбуватися значне поглинання енергії в ІК-діапазоні. Лазер на молекулах CO₂ в імпульсному режимі може мати потужність до 100 кВт.

5.3 Лазери на твердому тілі

5.3.1 Загальна характеристика твірдотільних лазерів

Твірдотільними називають лазери, в яких активним середовищем є кристалічні або аморфні діелектрики. Для створення інверсії населеності використовують енергетичні рівні атомів і іонів, що входять до складу твердих тіл.

Концентрація часток в твердих речовинах на декілька порядків більше, ніж в газових лазерах. Тому можна отримати велику потужність випромінювання на одиницю об'єму, чим в газових лазерах, або ту ж потужність при малій довжині активного середовища. Однак довжина активних елементів твердотільних лазерів обмежується оптичними, що є неоднорідність речовини, що приводять до розсіювання випромінювання і пониженню добротності резонаторів. Звичайно довжина активних елементів складає від декількох сантиметрів до 50 див.

Невелика довжина спричиняє збільшення кутового розходження випромінювання до декількох десятків кутових хвилин. Для створення інверсії населеності в твірдотільних лазерах використовують оптичну накачка. Активне середовище (стержні з полірованими паралельними торцями) вміщується між дзеркалами резонатора. Дзеркалами можуть бути торцеві поверхні, якщо на них нанести відображаючі покриття.

Активний елемент твірдотільних лазерів складається з двох компонентів - основної речовини (матриці) і активатора (домішки), енергетичні рівні якого утворять лазерний перехід. Матрицею є кристалічні речовини: корунд Al₂O₃, ітрієві гранати, щелочноземельні соліі вольфрамової (Н₂WO₄), молібденової (Н₂MoO₄) і плавикової (HF) кислот. Застосовуються також аморфні речовини - скло спеціального складу, в яких можна отримати кращу оптичну однорідність. Останнє дозволяє збільшити розміри активної речовини і потужність випромінювання. Як активатора використовують редкоземельні елементи: ніодій, диспрозій і інш., а також хром і уран. Ці елементи входять в матрицю у вигляді двох - і трьохрозрядних іонів. Поперечний розмір активних середовищ складає від декількох міліметрів до декількох сантиметрів, а довжина - до 100 див.

5.3.2 Рубіновий лазер

Матрицею робочої речовини в цьому лазері є кристалічна грата корунду Al₂O₃ , а активним середовищем - трьохрозрядні іони хрому Cr³⁺. Схема енергетичних рівнів іона хрому.

Внаслідок впливу сильного внутрікрісталічного електричного поля основний рівень розщеплення на підрівні 1, енергетичний перехід між якими використовується в квантових парамагнітних підсилювачах. Наступні рівні також розщеплені на підрівні 2 і 3. Ширина підрівней 1 і 2 незначна, а підрівней 3 настільки істотна, що їх називають смугами. Розширення енергетичних підрівней викликано тепловими коливаннями іонів і дефектами кристалічної структури.

Відстані між підрівнями 1 і смугами 3, а також між підрівнями 1 і 2 відповідають оптичному діапазону хвиль. При використанні цих переходів підрівні 1 можна вважати співпадаючими, оскільки перехід між ними відповідає НВЧ діапазону. Підрівні 2 є метастабільними (час життя біля 3*10^-3 с). Повний час життю підрівней 3 визначається безвипромінювальними релаксаційними переходами на підрівні 2. Час життя рівнів 3 порядку 10^-7 с.

Отримання інверсної населеності в рубіновому лазері можна пояснити таким чином. Під впливом випромінювання джерела світла відбувається збудження підрівней 3 і збільшення їх населеність. Внаслідок безвипромінювальних переходів відбувається швидке зменшення населеності підрівней 3 і заселення метастабільного підрівня 2. Тому населеність підрівня 2 може стати більшою населеність основного рівня 1. Інверсія населеності при виконанні умови самозбудження забезпечить генерацію коливань. Оскільки дозволені переходи в основний стан з верхнього і з нижнього підрівня. 2, то можлива генерація випромінювання в червоній області з довжинами хвиль =0,6943 мкм (6943А) і =0,6929 мкм (6929А). Найбільш сприятливі умови для генерації випромінювання з =0,6943 мкм, однак, застосовуючи спеціальні фільтри, можна забезпечити генерацію на довжині хвилі =0,6929мкм.

Рубінові лазери можуть працювати в імпульсному і безперервному режимах. Для отримання імпульсного режиму використовують імпульсні ксенонові лампи. Система оптичної накачки містіть лампу (лампова накачка) і елементи, що забезпечують концентрацію світлового потоку на активний стержень. Ефективність системи оптичної лампової накачки визначають як відношення енергії, поглиненої в матеріалі, до енергії, споживаною лампою. Різні варіанти систем оптичної накачки показані на рис. 9.10.

Імпульсні лампи мають форму спіралі (рис. 9.10, а), на осі якій розташований активний стержень, або циліндра (рим. 9.10, би), розташованого паралельно цьому стержню. Дзеркальні поверхні спеціальної форми концентрують світловий потік в стержні. Застосовується також збудження світловим потоком в торець активного стержня через перехідний сапфировий пристрій (рис. 9.10, в), в якому використовується повне внутрішнє відображення. Імпульсний режим роботи ламп забезпечується розрядом конденсаторів, які заздалегідь заряджаються від джерела напруження до декілька кіловольтів. У світлове випромінювання звичайно переходить біля 25% потужності, що підводиться до лампи, інша потужність виділяється у вигляді тепла. Для роботи в безперервному режимі використовують спеціальні дугові капілярні лампи і лампи розжарювання. Вихідна потужність рубінового лазера залежить від енергії накачка. Генерація починається при деякій пороговій енергії в декілька стільники джоулів. Надалі потужність росте практично лінійно. Енергія лазерного випромінювання у найбільш могутніх рубінових лазерів досягає 10 Дж. Оскільки тривалість імпульсу порядку 10 мс, те середня потужність в імпульсі складає біля 1 кВт. При цьому ККД не перевищує 1%. У лазерах безперервної дії використовують кристали відносно невеликого розміру, і вихідна потужність таких лазерів порядку 100 мВт.

5.3.3 Лазер з використанням іонів редкоземельних елементів

При використанні як активні частки іонів редкоземельних елементів (неодима, диспрозія, самарія, ербія, гольсія і празеодіма) інверсія населеності створюється по чотирьохрівневої схемі (рис. 9.11). На відміну від трьохрівневої системи рубінового лазера в чотирьохрівневих лазерах нижній рівень лазерного переходу 3>2 знаходиться на досить великій відстані від основного рівня 1, значно більшому величини kT. У цьому випадку населеність нижнього лазерного рівня 2 виявляється невеликий навіть при кімнатній температурі. Це полегшує створення інверсії населеності, яке приводить до зменшення потужності джерела оптичної накачки.

Зниження робочої температури від кімнатної до температури рідкого азоту і гелію ще більше полегшує отримання інверсії населеності, оскільки утрудняє теплове збудження нижнього лазерного рівня.

Найбільша енергія в імпульсі (до 1 кДж) отриана в лазері на склі з неодімом. У цьому лазері використаний стержень діаметром 20-30 мм і довжиною до 80 див. Коефіцієнт корисної дії твердотільних лазерів з редкоземельними іонами низок і складає десяті частки відсотка.

5.4 Напівпровідникові лазери

У напівпровідникових лазерах можна отримати дуже велику інверсію населеності і високе посилення на одиницю довжини внаслідок високої концентрації часток в твердому тілі. Тому довжину зразка напівпровідника можна зменшити до часткою міліметра, а вимоги до величині коефіцієнта відображення дзеркал знизити. У напівпровідниках можливі наступні методи отримання інверсії населеності: інжекція носіїв через p-n перехід (інжекційні лазери), електронна накачка і оптична накачка. Найбільше поширення отримав метод інжекції носіїв.

5.4.1 Інжекційний лазер

У інжекційних лазерах використовується p-n перехід, утворений вирожденими напівпровідниками з різним типом провідності. На рис. 9.12 показана енергетична діаграма такого p-n переходу в стані рівноваги, тобто при відсутності зовнішнього напруження, а, отже, і струму через перехід.

Рівні Фермі Е_fn і Е_fp в обох областях співпадають. Приблизно можна вважати, що в n-області електрони провідності розташовуються на рівнях між "дном" зони провідності Е_пр і рівнем Фермі Е_fn, а в р-області дірки - між "стелею" валентної зони і рівнем Фермі Е_fp. Якщо до переходу прикласти пряме напруження від зовнішнього джерела і скомпенсувати поле контактної різниці потенціалів, то електрони і дірки, переміщаючись назустріч один одному, у вузькому д-шарі посеред p-n переходу, створять умови, відповідні інверсії, яку можна використати для цілей посилення, а при обхваті пристрою позитивним зворотним зв'язком достатньої величини - і для цілей генерації. Щоб розглянутий p-n перехід перетворити в лазер, треба створити резонансний об'єм, який забезпечить необхідний для самозбудження позитивний зворотний зв'язок. Випромінювання викликається інтенсивною рекомбінацією електронів і дірок.

Найбільше поширення отримав інжекційний лазер на основі Вирожденого арсеніда галію

Дві грані напівпровідника перпендикулярні до площини p-n переходу і утворять після поліровки дзеркала резонатора. Дві інші грані нахилені до площини p-n переходу, щоб не створювати в цьому напрямі умов для самозбудження. Розміри сторін напівпровідника порядку декількох десятих часткою міліметра. Випромінювання виходить з вузької області p-n переходу перпендикулярно паралельним граням напівпровідника. Випромінювання інжекційного лазера має велике кутове розсіювання внаслідок дифракційних явищ в резонаторі, яка становить 5-6 градусів при відстані між дзеркалами L=0,1 мм і товщиною області p-n переходу, в якій відбувається генерація, =1мкм.

У іншій площині (в площині p-n переходу) кутове розсіювання озсіювання меньше (?1 град), в плільки розмір області випромінювання тут приблизно на порядок більше.

У більшості випадків індуковане випромінювання в напівпровідниках (НП) пов'язано з переходами через заборонену зону. Ширина забороненої зони в різних напівпровідниках міняється в широких межах: від тисячних часткою до одиниць електрон вольт. Тому оптичні квантові генератори (ОКГ) на НП матеріалах можуть бути використані для генерації коливань в дуже широкому діапазоні: від ультрафіолетових до міліметрових хвиль. Як лазерні матеріали найбільше застосування знаходять арсеніди галію і індію, антімоніди цих же елементів (InSb, GaSb), а також фосфід індію (InP). Германій і кремній не використовуються через їх специфічну будову, при якій рекомбінаційний переходи часток через заборонену зону супроводяться в основному випромінюванням фотонів (безвипромінювальні переходи). Далеко не завжди рекомбінаційний процеси приводять до випромінювання фотонів і в лазерних матеріалах (напівпровідниках).

Звичайно інжекційні лазери працюють в імпульсному режимі, при цьому максимальна потужність в імпульсі обмежується перегрівом кристала і залежить від робочої температури і тривалості імпульсів. Найбільша імпульсна потужність при температурі рідкого азоту в лазерах на GaAs становить 100 Вт при тривалості імпульсу порядку декількох мікросекунд і частоті проходження до 10 кГц. Основної перевагою інжекційних лазерів є можливість модуляції випромінювання зміною напруження на p-n переході.

ККД інжекційних лазерів на основі GaAs звичайно складає декілька відсотків. НП лазери постійно удосконалюються, і вже відомі зразки з ККД, рівним десяткам відсотків.

5.4.2 Інші методи накачки в напівпровідниках

Для створення інверсії населеності в НП можна використати оптичну і електронну накачку.

Оптична накачка проводиться за допомогою лазерного випромінювання (лазерна накачка), так як звичайні джерела світла мають дуже широкий спектр випромінювання. Очевидно, що енергія кванта hдолжна бути більше ширина забороненої зони напівпровідника. Оскільки в НП спостерігається значне поглинання світла, то практично інверсія населеності виходить в тонкому поверхневому шарі. Це не дозволяє отримати великі потужності випромінювання в напівпровідникових лазерах з оптичною накачка.

Електронна накачка відбувається внаслідок бомбардування напівпровідника електронами з високою енергією (до 30 кЕв). Це дозволяє електронам проникнути на глибину декількох десятків мікрометрів і збудити набагато більший об'єм, ніж в інжекційному лазері і в лазері з оптичною накачка. У поверхневому шарі електрони гальмуються і створюють пари носіїв - електрони і дірки. Для створення однієї пари потрібна енергія в 3-4 рази більше ширини забороненої зони, оскільки значна частка енергії тратиться на взаємодія з кристалічними гратами. Тому кожний електрон утворить приблизно 10⁴ пар. При досить великому струмі пучок електронів концентрація електронів у кордону зони провідності і дірок у кордону валентної зони будуть відповідати виродженню, при якому відбувається інверсія населеності.

...