Оптического резонатора

плоскости оптической системы. На приемной стороне ТВ системы на экране электронно-оптического преобразователя, например кинескопа, образуется выходное изображение 3, которое рассматривается

секций трубки, где еще не происходит коммутация электронным лучом. С этой целью разрабатываются новые, более эффективные фотокатоды и мишени, а также способы дополнительного предварительного усиления фототока изображения до его электронного или оптического проецирования на накопительную мишень. Одним из таких способов является применение в качестве предварительного усилителя яркости электронно-оптического преобразователя (ЭОП), сочлененного с трубкой ( 9.18). Фотоэлектроны, выбитые с фотокатода /, устремляются под действием ускоряющего напряжения U[ к. люминесцирующему экрану 2, на котором создается вторичное оптическое изображение. Яркость его в десятки и сотни раз превышает яркость исходного изображения, спроецированного на ФК, /. Экран 2 ЭОП и фотокатод 4 передающей трубки наносят на противоположные поверхности стекловолоконной планшайбы 3, котора'я представляет собой несколько миллионов волоконных световодов, спрессованных вместе. Такое построение планшайбы 3 улучшает ее оптические характеристики и, кроме того, допускает возможность разрезания ее на две части. Это позволяет ЭОП и передающую трубку изготавливать отдельно, что удобно в производстве, и включать последовательно несколько ЭОП для повышения чувствительности.

15.1. Структурная схема оптического преобразователя.

мум излучения кремниевых, переходов соответствует длине волны 1,1 мкм (для Ge—1,7 мкм). Введение легирующих примесей приводит к возникновению дополнительных максимумов, причем чем больше концентрация примесей, тем выше интенсивность излучения. Зависимость интенсивности излучения от плотности тока инжекции и физико-химического состояния кристалла позволяет применять рекомбинационное излучение для выявления дефектов структуры, связанных с неоднородным токораспреде-гением 'и наличием механических дефектов. Качественную картину поля реком-бинационного излучения можно наблюдать на экране электронно-оптического преобразователя.

Схема включения простейшего электронно-оптического преобразователя (ЭОП) приведена яа 15.16, а. Между фотокатодом ФК и люминесцирующим экраном Э прикладывается высокое напряжение U порядка 5—10 кВ. Эмиттированные фотокатодом электроны, количество которых пропорционально «освещенности» данного участка катода, попадая на экран — анод, вызывают свечение соответствующего участка экрана с яркостью, также пропорциональной «освещенности».

ронных приборов: электронно-оптического преобразователя, более простых передающих трубок и фотоэлектронного умножителя.

На фиг. 52 .представлена схема получения изображения на экране с использованием электронно-оптического преобразователя, позволяющая оператору, находящемуся на достаточном, с точки зрения безопасности, удалении от просвечиваемого изделия, наблюдать за качеством сварного шва (или литого изделия).

Фиг. 52. Схема получения изображения на экране с помощью оптического преобразователя:

ИК-луч, распространяющийся в пленке, визуализировался с помощью кремниевого электронно-оптического преобразователя, преобразующего ИК-свет в видимый. На 7.2.1 показан луч ПГ0-моды в планар-ном Ge,0As4oSe25S25-волноводе толщиной 0,8 мкм, изготовленном на кремниевой пластине, на которую центрифугированием наносился слой резиста из полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 1 мкм. Обнаружено, что на таких подложках, покрытых ПММА, потери на распространение слишком малы (ниже 1 дБ/см), чтобы их можно было точно измерить.

ИК-луч, распространяющийся в пленке, визуализировался с помощью кремниевого электронно-оптического преобразователя, преобразующего ИК-свет в видимый. На 7.2.1 показан луч ПГ0-моды в планар-ном Ge,0As4oSe25S25-волноводе толщиной 0,8 мкм, изготовленном на кремниевой пластине, на которую центрифугированием наносился слой резиста из полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 1 мкм. Обнаружено, что на таких подложках, покрытых ПММА, потери на распространение слишком малы (ниже 1 дБ/см), чтобы их можно было точно измерить.

На 2. 11 представлены схема экспериментальной установки и результаты фотометрирования тестового образца GaAs-СЭ (кривые 1—4) при /т в диапазоне 0.05—1.0 А [18]. Фотометрирование производилось при сканировании фотоприемником малой площади по изображению образца, получаемому с помощью объектива. Картина ЭЛ контролировалась также и визуально с помощью электронно-оптического преобразователя ИК-излучения в видимое, как это изображено на 2. И, а. Визуально неравномерность распределения интенсивности ЭЛ начинает замечаться при контрасте около

где 1/Хо — коэффициент поглощения излучения в активной среде; 2рез — длина оптического резонатора; k{, k2 — коэффициенты отражения зеркал резонатора.

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.

Первые инжекционные лазеры были созданы на арсени-де галлия. Типичный лазер на GaAs изготавливается в фор-ke прямоугольного параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до одного миллиметра ( 5.30). В конструкции такого лазера имеются: / — полированные торцевые поверхности; 2—р-область; 3 — м-область; 4 — электрические проводники; 5 — молибденовая пластина, покрытая слоем золота; 6 — область р-п перехода (заштрихована). Две боковые грани (торцы) служат зеркалами оптического резонатора лазера. Показатель преломления GaAs достаточно ве- 5.30. Инжекционный по-лик, и ОТ полированных торцов, лупроводниковый лазер не имеющих дополнительного

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.

где п — целое число; К — длина волны. При выполнении этого условия волны, испытавшие многократные отражения от зеркал, оказываются в фазе друг с другом и их амплитуды складываются. Испускаются волны одной или нескольких частот, длины которых удовлетворяют условию резонанса (12.31) и попадают в полосу Av. Ширина полосы частот каждой такой волны определяется добротностью оптического резонатора и может быть весьма малой (менее 100 Гц). Стабильность частоты определяется стабильностью размера резонатора L.

В противоположность этому лазерное излучение обладает высокой степенью когерентности, обусловленной двумя основными факторами: природой индуцированного испускания и наличием оптического резонатора.

пикающего при излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар. Наиболее широкое практическое применение получили инжекционные лазеры на арсениде галлия, в которых инверсная населенность достигается инжекцией неосновных носителей через р — n-переход в вырожденные области полупроводника. Применяются также InAs, InP, InSb и ряд твердых растворов. На 12.20, о показан равновесный р — n-переход между двумя вырожденными областями полупроводника. Уровень Ферми в р-области (fip) располагается ниже вершины валентной зоны Ev, а в n-сбласти (цп)—выше дна зоны проводимости Ес. Такое расположение уровней Ферми свидетельствует о том, что состояния вблизи вершины валентной зоны р-области с вероятностью, близкой к 1, свободны (заполнены дырками), а состояния вблизи дна зоны проводимости «-области с той же степенью вероятности заполнены электронами. Если к такому р— «-переходу приложить прямое смещение V, резко снижающее потенциальный барьер, то в нем появится область А с инверсионным заполнением зон: над практически свободными уровнями валентной зоны располагаются полностью заполненные уровни зоны проводимости ( 12.20, 6). В этих условиях спонтанно возникшие кванты вследствие рекомбинации электронно-дырочных пар будут вызывать стимулированное испускание излучения. Этот принцип и положен в основу работы полупроводниковых лазеров, схема устройства которых показана на 12.21. Кристалл с р — «-переходом имеет форму параллелепипеда или неправильной пирамиды: две противоположные грани делаются строго параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости р — «-перехода; они выполняют роль оптического резонатора, заставляющего стимулированное излучение, возникшее в плоскости перехода, проходить через него многократно. Две другие грани могут быть направлены под углом к основанию и оставляются грубо обработанными, вследствие чего не могут выполнять роль оптического резонатора. Когерентное излучение выводится через одну из граней оптического резонатора.

Мощность излучения, выходящего из такого усилителя, тем больше, чем больше частиц участвует в переходах с верхнего энергетического уровня на нижний. При этом возрастает коэффициент усиления а = cr(jV2 - jVj) - Jc0 . Усиление тем больше, чем больше путь /, пройденный лучом. Значительного увеличения этого пути можно добиться, помещая среду в оптический резонатор, обеспечивающий многократное прохождение за счет многократных отражений излучения. В диапазоне сверхвысоких частот для этой цели используются объемные полые металлические резонаторы. В оптическом диапазоне резонатор образует два параллельных зеркала. Оптический резонатор способствует достижению уровня обратной связи, который позволяет превратить квантовый усилитель в квантовый генератор. Это происходит, когда уровень усиления превысит потери энергии, а инверсная населенность превысит пороговое значение jV2 - Nl ~ y/aL, где у — коэффициент потерь; L — длина оптического резонатора.

Характерными особенностями излучения лазеров (оптических квантовых генераторов) являются когерентность, монохроматичность излучения и узконаправленность. Узконаправленность обеспечивается селективным характером усиления параксиальных лучей зеркалами оптического резонатора.

Режим синхронизации мод основан на интерференции нескольких синхронизированных собственных типов (мод) продольных колебаний оптического резонатора. В результате возникает последовательность сверхкоротких световых импульсов. Длительность импульсов достигает 1 пс, а мощность — SO10 Вт.

этот контур и пунктиром обозначены уровни потерь мощности для двух видов колебаний ТЕМ00 и ТЕМ0,. На 10.56 и 105в показаны частотные характеристики открытого резонатора для колебании ТЕМоо и TEMoi соответственно. Существенно, что в пределах контура излучения активного вещества укладывается значительное число резонансных пиков оптического резонатора. Например для ОКГ на газе типичная ширина контура Д/с составляет примерно 1000 МГц. При длине резонатора L = 0,5 м расстояние между соседними резонансными пиками составляет согласно (10.6) 300 МГц, и в полосе контура излучения размещаются три—четыре вида колебания, отличающиеся номером q.