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]

возникает двухфотонное поглощение и коэффициент поглощения, достигнув минимума, снова начнет возрастать как 5,7.

3. Нельзя изменить коэффициент поглощения гармонического осциллятора при любом способе возбуждения. Действительно, пусть имеется п осцилляторов с произвольным распределением по уровням энергии. Так как энергетический спектр осциллятора состоит из бесконечного числа равноотстоящих (эквидистантных) уровней (рис. 1.6, а), а квантовые переходы в дипольном приближении реализуются только между соседними уровнями, то коэффициент поглощения

hv °°

1 = 0

VgAv

/ = 0

и всегда больше нуля. При выводе учтено, что коэффициенты для вероятностей переходов связаны соотношением Ву,у + , = (/ + 1)Во1, B/,/-i=iBio = iBoi=/Bo, поэтому Bi,j+\ - Bij-i=Bo\=Bo.

Выражение (1.53) не зависит от распределения осцилляторов по уровням, а следовательно, от способа возбуждения и температуры среды. На каком бы уровне осциллятор ни был, он может перейти еще на более высокий уровень, причем разность вероятностей переходов с поглощением и испусканием всегда одна и та же и равна Bou.

4. Коэффициент поглощения может быть положительным и при инверсной населенности уровней i и /, если возможно поглощение излучения частотой v,; с переходом частицы на еще более высокий уровень /. В этом случае коэффициент поглощения

= irSr [niBii + ni{Bu-Bii)-n,Bu]. (1.54)

Например, если система возбуждается в канале 13, а второй и четвертый уровни метастабильные, то будут

населены в основном первый и второй уровни (рис. 1.6, б). Последним,слагаемым в (1.54) можно пренебречь, и если Вц> Вц, то коэффициент поглощения будет положительным при любой накачке.

5. В непрямозонных полупроводниках вероятности межзонных переходов вблизи Eg малы. Поэтому поглощение свободными носителями (см. рис. 1.6, в) перекрывает отрицательное значение коэффициента поглощения, возникающее при инверсной населенности, когда Af > Eg. Кроме того, необходимо учитывать, что для генерации требуется не просто отрицательное значение k;(v), а выполнение равенства k{v)=k„, где к„ - коэффициент потерь резонатора (см. § 1.3).

Однако в непрямозонных полупроводниках генерация может быть получена при переходах между подзонами одной и той же зоны, например между подзонами легких и тяжелых дырок в p-Ge (см. § 7.4).

§ 1.3. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ

Типы резонаторов. Оптическим резонатором называется система отражающих, преломляющих, фокусирующих, дисперсионных и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля оптического диапазона, называемые собственными колебаниями, или модами резонатора.

Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех видах лазеров, служит плоский резонатор (интерферометр Фабри -Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии / друг от друга (рис. 1.7, а). В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть полупрозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения поверхностей пластин на них обычно наносятся многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Поглощение света в таких покрытиях практически отсутствует. Иногда отражающие покрытия наносятся непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды. Тогда необходимость в выносных зеркалах отпадает.






шш -иигл

Рис. 1.7. Типы оптических резонаторов:

а-плоский; б-призменный; в - конфокальный; г - полукоицентрический; д-составной; е-кольцевой; ж, з - скрещенные; н-с брэгговскимн зеркалами. Заштрихованы

активные элементы

Вследствие большого значения показателя прсломле-ния полупроводниковых материалов (п = 2,5...4) коэффициент отражения границы раздела воздух - кристалл достигает значения 0,35 и более. Поэтому естественные параллельные грани кристалла образуют достаточно хороший резонатор для лазера и отражающие покрытия применяются редко.

В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму {призменный резонатор) (рис. 1.7,6). Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате

двукратного полного внутреннего отражения выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора. Если призму вращать вокруг оси, перпендикулярной к плоскости рисунка, то получается резонатор с модулированной добротностью. Другой способ модуляции добротности связан с введением в резонатор просветляющихся фильтров.

Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф (рис. 1.7, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами l = R. Если это расстояние уменьшить в два раза так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софо-кусный резонатор. Резонатор, образованный плоским и сферическим зеркалами с / = /? (рис. 1.7, г), называется полуконцентрическим.

Для научных исследований и различных практических целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. В качестве примера на рис. 1.7, д показан составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 1.7, е).

Для создания логических элементов вычислительных машин и интегральных модулей используются многокомпонентные скреш,енные резонаторы (рис. 1.7, яс, з). Это по существу совокупность лазеров, допускающих их селективное возбуждение и объединенных вместе сильной оптической связью.

Особый класс лазеров составляют лазеры с распределенной обратной связью. В обычных оптических резонаторах обратная связь устанавливается из-за отражения генерируемого излучения от зеркал резонатора. При распределении обратной связи отражение происходит от оптически неоднородной периодической структуры. Примером такой структуры служит дифракционная решетка. Она может быть создана механическим путем (рис. 1.7, и) или селективным воздействием на однородную среду.



в частности, если возбуждать вещество двумя скрещенными монохроматическими пучками света, то возникают интерференционные полосы и показатель преломления становится пространственной периодической функцией.

Используются и другие конструкции резонаторов. По определению, к элементам резонатора необходимо относить также пассивные и активные затворы, модуляторы излучения, поляризаторы и другие оптические элементы, применяемые при получении генерации. Некоторые другие типы резонаторов рассмотрены в § 5.4.

Коэффициент потерь плоского резонатора. Генерацию излучения упрощенно можно представить так. Рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения, еще до создания инверсной населенности, рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз или, что то же самое, проходят сколь угодно длинный путь в активной среде. Именно в этих направлениях возникает генерируемое излучение.

Плотность энергии излучения в резонаторе становится столь большой, что во много раз превосходит фон спонтанного испускания на генерируемых частотах. Поэтому связь характеристик генерируемого излучения с породившим его люминесцентным фоном практически исчезает. Мощность генерации, угол расходимости и спектральный состав лазерного луча определяются главным образом параметрами резонатора, коэффициентами усиления Кус=-к и внутренних оптических потерь р активной среды.

В плоском резонаторе бесконечное число раз через активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на зеркала под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него.

го обеспечивает узкую направленность генерируемого 1уча (см. § 3.4).

Несмотря на то что луч света можно заставить пройти в среде сколь угодно длинный путь, его интенсивность не станет бесконечно большой. Генерируемый луч наряду с усилением испытывает и оптические потери.

Первый неустранимый вид потерь, называемых внутренними оптическими потерями, связан с рассеянием излучения в активной среде, а также поглощением в пассивных областях, на неоднородностях и в зеркалах. Коэффициент этих потерь обозначим р. Интенсивность рассеянного луча в элементарном объеме вещества прямо пропорциональна плотности потока падающего света So. В то же время коэффициент усиления подобно коэффициенту поглощения уменьшается с ростом So. Этих двух факторов достаточно, чтобы интенсивность лазерного излучения не увеличивалась до бесконечности.

Второй вид потерь связан с выходом части излучения за пределы резонатора через полупрозрачные зеркала.

В стационарном режиме мощность генерации всего объема активного вещества равна сумме всех потерь энергии излучения за единицу времени. Исходя из этого требования, легко рассчитать коэффициент потерь плоского резонатора Кп в случае, когда коэффициент усиления практически одинаков для всех участков рабочего вещества.

Проследим путь луча от левого зеркала (см. рис. 1.7, а) к правому и в исходную точку. Если в начальной точке его интенсивность равна Si, то на границе со вторым зеркалом она станет равной Si exp [(Кус -р)/]. От второго зеркала с коэффициентом отражения гг отразится луч с интенсивностью Г25 ехр [ (Кус -р)/]. После прохождения обратного пути и отражения от первого зеркала для интенсивности луча в исходной точке будем иметь

(1.55)

Из требования стационарности генерации вытекает, что Si = Si, а следовательно.

1,1,

(1.56) (1.56а)



[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