Когерентного излучения

КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Полупроводниковый лазер генерирует когерентное излучение в результате процессов, происходящих в p-n-переходе на полупроводниковом материале. На рис. 3.8 показана схема полупроводникового лазера на арсениде галлия. Кристалл имеет размеры около 0, 5. ..1,0 мм2. Верхняя его часть 2 представляет собой полупроводник р-типа, нижняя / — n-типа, между ними имеется р-п-переход 4 толщиной около 0,1 мкм.

Для более наглядного понимания принципа подчинения, рассмотрим действие лазера, порождающего когерентное излучение при достижении критических условий. В докритическом состоянии активные атомы лазера при подаче энергии в систему возбуждаются и испускают отдельные цуги световых волн. Критическое состояние системы достигается в тот момент, когда подаваемая энергия становится когерентной, т.е. она уже не состоит из отдельных некоррелированных цугов волн, а превращается в бесконечную синусоиду. Это означает, что хаос (в виде цугов световых волн) сменяется порядком, причем параметром порядка служит возникающая когерентная волна. Она "вынуждает" атомы осцилировать когерентно, подчиняя их себе (рисунок 1.6, а). Это подчинение связано с подчиняющимся полю движением электронов. Возникает круговая причиненность: с одной стороны поле действует как параметр порядка, подчиняя себе атомы, а с другой - атомы своим вынужденным излучением порождают поле (рисунок 1.6, б).

Для более наглядного понимания принципа подчинения рассмотрим действие' лазера, порождающего когерентное излучение при достижении критических условий. В докритическом состоянии активные атомы лазера при подаче энергии в систему возбуждаются и испускают отдельные цуги световых волн. Критическое состояние системы достигается в тот момент, когда подаваемая энергия становится когерентной, т.е. она уже не состоит из отдельных некоррелированных цугов волн, а превращается в бесконечную синусоиду. Это означает, что хаос {в виде цугов световых волн) сменяется порядком, причем параметром порядка служит возникающая когерентная волна. Она "вынуждает" атомы осцилировать когерентно, подчиняя их себе (рисунок 1 .6, а). Это подчинение связано с подчиняющимся полю движением электронов. Возникает круговая подчиненность: с одной стороны поле действует как параметр порядка, подчиняя себе атомы, а с другой - атомы своим вынужденным излучением порождают поле (рисунок 1 .6, б).

. циям и разъюстировкам. Повышения помехоустойчивоти ЛИ можно добиться, используя схему без подвижного зеркала, роль которого в данном случае выполняет сам объект контроля. Подобное устройство содержит лазер, излучающий синфазное когерентное излучение в двух противоположных направлениях. Один из лучей направляется на объект и после отражения поступает на фотоприемник.

§ 12.5. КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ*

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 рис. 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 (рис. 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 рис. 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.

§ 12.5. Когерентное излучение. Квантовые усилители и генераторы . 333

Другим типом полупроводниковых ОКГ являются лазеры с электронным возбуждением. Используются полупроводниковые пластины толщиной 0,2 мм со сколотыми гранями, образующими резонатор. Электронный пучок с энергией в десятки, а в некоторых случаях и в сотни киловатт направляется на пластинку перпендикулярно ее плоскости (рис. 43). Когерентное излучение выходит из резонатора через грани в направлении, перпендикулярном направлению скорости электронного пучка.

К жидкостным ОКГ относятся также лазеры, работающие на вынужденном комбинационном рассеянии. По существу, это устройства, преобразующие когерентное излучение одной частоты в излучение другой частоты.

1 Поток излучения, как и всякий поток энергии, тоже характеризуется определенной степенью беспорядка (разные частоты и другие характеристики колебаний частей спектра). Только монохроматическое когерентное излучение (например, лазера) полностью упорядочено и (как и работа) характеризуется нулевой энтропией.

1. Необходим резонанс — совпадение частоты падающего света с одной из частот vmn энергетического спектра атома. При этом переход атома с уровня ет на уровень е„ будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями других таких же атомов, в результате чего будет осуществлена генерация когерентного излучения.

2. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне е„, происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне ел. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень Ет, что препятствует генерации света. Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне ет было больше числа атомов на нижнем уровне е„, между которыми происходит переход. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был «заселен» больше, чем нижний. Такое состояние вещества в физике называется «активным» или состоянием

К первой группе относится гелий-неоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.6. Генерация когерентного излучения может проходить в видимой (К\ = 0,633 мкм) и в инфракрасной области (А.2 = 1,15 мкм, Х,3 = 3,39 мкм). Газоразрядная трубка / этого лазера заполняется гелием и неоном при парциальных давлениях соответственно 133 и 13 Па. В трубке от высоковольтного источника питания 2 создается электрический разряд 3, который возбуждает атомы гелия и неона в результате электронных ударов. Излучение выходит из полупрозрачного зеркала 4. Гелий-неоновый лазер имеет сравнительно небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и стабильности излучения он получил широкое распространение.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

К числу технологических преимуществ мощного когерентного излучения следует отнести:

ГОЛОГРАФИЯ (от греч. holos - весь, полный и ...графия) - способ записи и воспроизведения волновых полей, образующихся при интерференции волн (электромагнитных - в оптич. Г. и радиоголографии, акустических -в акустич. Г.). В оптич. Г. на свето-чувствит. слое фотопластинки регистрируют интерференц. картину, к-рая образована волной, отражённой от объекта (предметной волной), и когерентной с ней волной от источника (опорной). На такой фотопластинке (голограмме) записывается не только распределение интенсивности волнового поля (как в фотографии), но и фазы. Именно это даёт не плоскостное, а объёмное изображение объекта. Восстановление волнового поля объекта осуществляется при освещении голограммы опорной волной. В оптич. Г. в качестве источников когерентного излучения используются лазеры. Методы Г.

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР - полупроводниковый лазер, в к-ром генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции электронов и дырок в область р-п-перехода или гетероперехода под действием электрич. поля. Имеет высокий кпд (до 50%), широкий диапазон рабочих частот (св. 109 Гц), но относительно невысокую когерентность излучения. И.л. отличает простота конструкции, а также очень малые габаритные размеры ПП кристалла, используемого одновременно в качестве активного элемента и оптич. резонатора лазера (не превышают 200-400 мкм), что обусловило применение И.л. для создания лазерных ИС (см. Интегрально-оптическая схема}.

Воздействие высокоэнергетического когерентного излучения на материалы как технологический метод характеризуется широкими потенциальными возможностями обработки металлов и сплавов. Особенностями метода лазерной обработки являются локальность и высокая концентрация подводимой энергии. Используемый диапазон плотностей мощности лазерного пучка находится в пределах Wp = 102-1012 Вт/см2. Разработаны перспективные технологии обработки поверхности материалов, позволяющие осуществлять плавление, термоупрочнение и легирование приповерхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов. Варьируя технологическими параметрами, можно обеспечить изменение скоростей нагрева и охлаждения, размеров зон обработки, формировать структуру материалов и получать модифицированные слои с требуемыми свойствами.

Применение когерентного излучения позволяет эффективно использовать возможности оптических элементов как преобразователей спектра поступающего двухмерного сигнала и создавать принципиально новые методы контроля материалов и изделий. Исследуемая поверхность объекта освещается расходящимся лазерным пучком, структура которого формируется диффузной поверхностью. Пучок, отраженный от поверхности, фиксируется на фотопленке, установлен-

Использование когерентного излучения позволило создать принципиально новый метод проекционной микроскопии, основанный на применении квантовых усилителей света. Объект с помощью объектива освещается монохроматическим светом от лазера на парах меди. Отраженный от объекта свет проходит активную среду, усиливается и проектируется на экран. Когерентные микроскопы обеспечивают высокое пространственное разрешение (1 мкм при увеличении порядка 1000— 1500 при яркости изображения, недоступного обычным световым микроскопам). Особенностью микроскопа являются возможность фокусировки мощного лазерного излучения на любом элементе объекта и возможность осуществлять его коррекцию (напри-

Генерация когерентного излучения. Если сумма энергий сигнала Есит и стимулированного излучения ?иал больше потерь энергии ?DOT и энергии ?наг, отводимой в нагрузку: