Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [ 10 ] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

частота и поляризация вынужденного излучения? 1.4. Что называется естественной шириной уровня энергии? 1.5. Почшу образуется провал в контуре линии поглощения? 1.6. Степени вырождения нижнего / и верхнего i энергетических уровней равны восьми и двум соответственно. На нижнем уровне число частиц rt,= 10" см. При какой концентрации частиц на верхнем уровне п, наступит инверсная населенность? 1.7. В собственном полупроводнике ширина запрещенной зоны £g = 2,2 эВ. В результате возбуждения разность квазиуровней Ферми стала равной Af = 2,5 эВ. Найдите интервал длин волн, в котором вещество будет усиливать проходящее через него излучение. 1.8. Назовите девять способов создания инверсной населенности. 1.9. При плотности потока возбуждающего излучения 5=10 Вт/см коэффициент поглощения вещества уменьшился в два раза. Пренебрегая остаточным поглощением и рассеянием света, определите параметр нелинейности а. 1.10. Оптически изотропное вещество возбуждается либо линейно поляризованным, либо изотропным излучением. В каком случае с ростом интенсивн,ости возбуждения раньше наступит отклонение от закона Бугера? 1.11. Как проявляется биполярный механизм рекомбинации электронов и дырок на закономерности просветления полупроводников? 1.12. Назовите пять случаев невозможности создания активной среды. 1.13. Постройте качественный график зависимости коэффициента поглощения, обусловленного переходами между произвольной парой уровней i, j, от температуры. 1.14. Рассматривая люминесценцию как превышение над фоном теплового излучения, по аналогии с выводом (1.53) получите общее уравнение для мощности люминесценции гармонического осциллятора W„. 1.15. Назовите основные типы оптических резонаторов. 1.16. Определите добротность плоского резонатора, если длина волны и ширина линии генерации равны соответственно К=\ мкм и AV = = 0,1 нм. 1.17. Резонатор инжекционного лазера образован естественными гранями кристалла с коэффициентом отражения /- = 0,37. Определите коэффициент потерь к„ для р = 5 см~ и / = 400 мкм и /=100 мкм. Чему будет равен Кп, если на грани резонатора нанести отражающие покрытия с /• = 1 и /-2 = 0,98? 1.18. Лазер с плоским резонатором генерирует на двух соседних модах с A,i = 500 нм и 2 = 501 нм, показатель преломления п = 3,5 + 2, где X выражено в микрометрах. Определите длину резонатора /. Чему будет равно расстояние между модами ЛА, = А,2 - при тех же 1.\ и п, если / = 400 мкм и /= 1 см? 1.19. Изобразите графически взаимную ориентацию оси резонатора, электрического и магнитного векторов в ТЕМ-волне генерации. 1.20. Резонатор с /=1 см-образован выпуклым и вогнутым зеркалами. Радиус кривизны выпуклого зеркала R\~-2 см. При каких значениях радиуса кривизны другого зеркала R2 резонатор будет устойчивым? 1.21. Коэффициент потерь резонатора к„=100 см, групповая скорость света в активной среде yg= 10° см-с~. Определите время жизни фотона в резонаторе, Тф = ?

Порог генерации инжекционных лазеров







Глава 2. ПОРОГ ГЕНЕРАЦИИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ

§ 2Л. ГЕНЕРАЦИЯ ПО ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХУРОВНЕВЫМ СХЕМАМ

Признаки преодоления порога. Порогом генерации называется энергия или мощность, поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент усиления лазерного активного элемента на частоте генерации равен коэффициенту полных потерь в оптическом резонаторе на такой же частоте.

В лазерах с оптической накачкой порог может быть охарактеризован энергией заряженных конденсаторов, питающих лампы-вспышки, излучением которых возбуждается активный элемент. Эта величина легко измеряется на опыте. При теоретических расчетах в качестве порога удобно использовать плотность возбуждающего излучения в резонаторе. В инжекционных лазерах обычно учитывается пороговый ток или плотность порогового тока.

Равенство коэффициента усиления коэффициенту потерь резонатора может служить критерием достижения порога генерации. Однако пользоваться этим критерием практически невозможно, поскольку трудно точно определить Кус и Кп, и обычно о пороге генерации судят по свойствам излучения, выходящего из резонатора. При этом возникает сложность отличия усиленной люминесценции, называемой также суперлюминесценцией или суперизлучением, от лазерного излучения.

.Люминесценция начинает усиливаться, как только k(v)--p(v) становится меньше нуля, т. е. коэффициент усиления превысит коэффициент внутренних оптических потерь. С ростом накачки мощность усиленной люминесценции будет быстро возрастать вплоть до возникно-

Инжекционные лазеры



вения генерации, которая частично или полностью стабилизирует уровень инверсной населенности, а следовательно, скорость спонтанной и усиленной люминесценции.

Характерными признаками преодоления порога могут служить следующие:

- повышение интенсивности выходящего из зеркал резонатора излучения на два-три и более порядков с ростом накачки на 10...20% по отношению к порогу;

- резкое сужение направленности излучения и появление в картине дальнего поля, т. е. на достаточно удаленном экране, модовой структуры;

- появление в спектре излучения одной или нескольких линий, расстояние между которыми Ак соответствует собственным колебаниям резонатора;

- появление в картине ближнего поля, т. е. на поверхности зеркал резонатора, на фоне однородного свечения ярких пятен;

- временные осцилляции излучения, особенно при генерации двух и более мод, а также скачкообразное изменение модовой структуры.

В целом до порога лазер работает как квантовый усилитель, и можно установить однозначную связь между спектром его излучения и спектром спонтанной люминесценции. После преодоления порога такая связь утрачивается, спектр генерации определяется собственными типами колебаний резонатора, спектром усиления, коэффициентом потерь и скоростью накачки.

Общее выражение для порога генерации систем с дискретными уровнями энергии. Хотя реальные вещества обладают большим числом уровней энергии, а сложные молекулы и полупроводники - широкими зонами энергий, генерацию любого вещества можно свести к одной из трех эквивалентных схем: двух-, трех- или четырехуровневой.

Первый молекулярный генератор (мазер) на молекулах аммиака работал по двухуровневой схеме. Как было показано выше, в двухуровневой схеме нельзя создать инверсную населенность путем возбуждения излучением, так как коэффициент поглощения стремится к нулю, оставаясь всегда положительным. С помощью механического разделения возбужденных и невозбужденных молекул в квадрупольном конденсаторе активная среда создается только на короткий промежуток времени, поскольку в процессе генерации или усиления населенности уровней вновь выравниваются. Поэтому двух-


Рис. 2.1. Генерация по трехуровневой (а) и четырехуровневой

{б, в) схемам

уровневые генераторы и усилители могут работать только в импульсном режиме, что является их серьезным недостатком.

При генерации по трех- и четырехуровневым схемам вещество возбуждается излучением с частотой Vb в одном канале (1-3 или 1-4) (рис. 2.1), а генерация происходит в другом (2-1 или 3->2). Причем имеется важное отличие в создании инверсной населенности и величине порога в этих системах.

Чтобы получить общее выражение для порога генерации, исходим из условия Kye(v)=Kn, которос С учетом обозначения

g Kn(Vr)igAv,7 Кп(Уг)

" nBijhvii x,,(vr)

можно представить в виде

П1---nj = 6iin.

(2.1)

(2.2)

Параметр б/, - безразмерная величина, равная отношению коэффициента потерь к максимальному значению коэффициента поглощения x,,(vr), достигаемому при

rt/ = rt, т. е. X,7(Vr) =K/,(Vr, nj = n).

Из формулы (2.2), выражающей закон сохранения энергии в резонаторе, следует, что для получения генерации недостаточно просто создать инверсную населенность, а необходимо, чтобы избыток частиц на верхнем уровне составлял вполне определенную долю, равную б,,. При этом могут реализоваться два качественно различных случая. В первом случае /- основной уровень вещества, во втором / - возбужденный уровень.

Если / - основной уровень и на нем до начала возбуждения находится 10..10 частиц, то для осуще-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [ 10 ] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0008