Когерентного излучения

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное когерентное излучение. Для генерации когерентного излучения необходимо прежде всего в активном веществе создать инверсную населенность уровней, т. е. такое резко неравновесное состояние, при котором концентрация электронов на высшем энергетическом уровне превышает их концентрацию на более низком

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное и когерентное излучение. Наибольшее

Оптоэлектронный прибор — это прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра, либо прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих спектральных областях.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное и когерентное излучение. Наибольшее

Оптическое излучение люминесцирующего полупроводника представляет собой суперпозицию электромагнитных волн, излучаемых большим числом возбужденных атомов. Если каждый атом излучает независимо от остальных так, что значения параметров v, cpo, а также направления поляризации различны для всех излучающих атомов, то имеет место некогерентное излучение. Оно является хаотическим, многочастотным и характеризуется только интенсивностью (амплитудой), не имеет строгой направленности.

Если же колебания всех излучающих атомов протекают согласованно во времени, т. е. значения параметров v, фо и направления поляризации для всех атомов одинаковы, то имеет место когерентное излучение.

5 на 5.27). Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязанно и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, вынужденное излучение — это когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением).

Лазерное излучение высокомонохроматично, так как лазер генерирует когерентные оптические колебания на частоте максимального усиления и минимальных потерь излучения в резонаторе. Таким образом, лазер преобразует энергию низкого качества в когерентное излучение, т. е. в предельно высококачественную форму энергии, или, используя термины термодинамики, можно сказать следую-

Роль оптического резонатора в инжекционных лазерах играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярных плоскостях р-п перехода. При протекании через р-п переход достаточно большого прямого тока возникает когерентное излучение.

стимулированное когерентное излучение.

Процесс перехода электронов с уровня Wz. на уровень Wx может протекать по-разному. Если переход атомов из возбужденного состояния в равновесное происходит вне связи с внешними воздействиями, то момент излучения и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий световой поток характеризуется лишь среднестатистическими, параметрами. В этом случае возникает спонтанное некогерентное излучение, а образованный в результате такого излучения луч света представляет соГой наложение (суперпозицию) волн, генерируемых множеством элементарных осцилляторов (возбужденных атомов). Частота и начальная фаза у всех слагаемых волн при этом неодинаковы.

Наиболее выдающиеся работы советских ученых и инженеров отмечены Ленинскими и Государственными премиями. Так, были удостоены Государственной премии в 1950 г. коллектив сотрудников под руководством А. В. Красилова за разработку кремниевых СВЧ-диодов, в 1961 г. С. Г. Калашников и другие за разработку германиевых СВЧ-диодов. Ленинские премии были присуждены в 1964 г. Н. Г. Басову, Б. М. Вулу, О. Н. Крохину, С. М. Рывкину и другим ученым за работы по получению когерентного излучения в переходе на вырожденных полупроводниках, в 1972. Ж. И. Алферову за создание гетероинжекционных полупроводниковых лазеров.

Электросветовые приборы, когерентного излучения. В рассмотренных выше электросветовых приборах излученный свет некогерентен и состоит из фотонов различных энергий.

Особенно возрос интерес к эпитаксиальным способам синтеза полупроводниковых соединений AIUBV после разработки на их основе источников света спонтанного и когерентного излучения в широком диапазоне инфракрасного и видимого спектров. Это обусловило быстрое развитие таких новых направлений, как технология быстродействующих интегральных микросхем, оптоэлектроника, интегральная оптика и др. Соединения AinBv в основном используют для производства светодиодов; цифрознаковых индикаторов, электролюминесцентных панелей; твердотельных телевизионных экранов; приборов СВЧ-диапазона; туннельных диодов и диодов Ганна, фотоприемников для работы в ИК-области спектра (для оптической связи компьютерных систем); твердотельных лазеров.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить интенсивное, направленное когерентное излучение. Для генерации когерентного излучения необходимо прежде всего в активном веществе создать инверсную населенность уровней, т. е. такое резко неравновесное состояние, при котором концентрация электронов на высшем энергетическом уровне превышает их концентрацию на более низком

Лазеры — источники электромагнитного когерентного излучения, т. е. излучения, имеющего строго определенную частоту и направление (угол рассеяния измеряется несколькими минутами). Такого рода узкие пучки характеризуются высокой плотностью мощности, достигающей 10Т—108 Вт/см2.

В современной оптоэлектронике источниками когерентного излучения являются только лазеры. Лазерное излучение исключительно направленно и монохроматично.

Лазерный пучок — это не просто поток энергии, как, например, пучок света, это поток энергии очень высокого качества, поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. Но за это качество мы платим высокую цену — КПД лазеров порядка десяти процентов, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить примерно десять джоулей энергии накачки. Но при этом плотность энергии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частности, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве (порядка 10'° Дж/см3).

10. Объясните процесс получения когерентного излучения в полупроводниковом лазере.

Трехуровневая система. Рассмотрим процессы когерентного излучения с использованием накачки в трехуровневой системе. При данной температуре и отсутствии накачки распределение частиц по величине энергии характеризуется законом Больцмана (пропорционально е kT ' при этом Ns < JV2 < < NI (для трехуровневой системы) и система является равновесной. Если в результате возбуждения частицы переходят на высшие уровни, то распределение Больцмана нарушается, система становится неравновесной. При большой мощности накачки может быть достигнуто насыщение населенности, когда AN1 \ = Д#3 ( 16.2). Процесс возвращения в равновесное состояние большею частью описывается

Оптические квантовые генераторы (О КГ). Когерентное излучение используется в усилителях и генераторах; приборы для СВЧ-диапа-зона называют иногда мазерами, а для оптического диапазона — лазера ми' от слов соответственно microwave или ligt amplification by stimulated emission of radiation. Основоположники создания квантовых приборов А. М. Прохоров и Н. Г. Басов удостоены Ленинской и Нобелевской премий. В оптическом квантовом генераторе на активированном диэлектрике первичный фотон, падая на возбужденный атом, дает начало процессу нарастания фотонной лавины за счет последовательного столкновения фотонов с возбужденными атомами. С целью создания благоприятных условий развития фотонной лавины активированному диэлектрику придается удлиненная форма в направлении излучения, и он снабжается спереди и сзади отражающими зеркалами ( 16.3). Фотоны, претерпевая отражения, многократно пробегают через активный элемент, вызывая фотонную лавину и появление в конечном счете когерентного излучения. Зеркала образуют открытый оптический резонатор, в котором непрозрачное зеркало 1 полностью отражает подающие волны, а полупрозрачное 2 отражает их частично и пропускает луч 3. В генераторе импульсного типа в качестве источника накачки используют импульсную газосветную лампу. Вспышка лампы происходит при разряде через нее батареи конденсаторов большой емкости (несколько тысяч микрофарад), заряжаемой от высоковольтного источника питания; активный элемент и импульсная лампа размещается по конфокальным осям эллиптического отражателя, концентрирующего световой поток на активном элементе. При образовании фотонной лавины луч выходит через полупрозрачное зеркало 2 оптического резонатора. Квантовые приборы на твердых активных элементах чаще используются в импульсном режиме. Газовые квантовые приборы могут работать и в непрерывном и в импульсном режимах; для накачки обычно используется разряд в самой среде активного газа. Известны также оптические квантовые приборы на полупроводниках с р-п-переходами.

Селениды — селенистый свинец (PbSe), селенистый висмут (Bi2Se3), селенистый кадмий (CdSe), селенистую ртуть (HgSe) — применяют для изготовления фоторезисторов, полупроводниковых термоэлементов и источников когерентного излучения (лазеров). Основные свойства этих веществ даны в табл. 8-5.