Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
На основании универсального соотношения (7.11) можно сделать вывод, что условие инверсной населенности (19.5) справедливо и в том случае, когда правила отбора по волновому вектору не выполняются. Оно незначительно видоизменяется для оптических переходов, сопровождающихся поглощением и испусканием фононов [570].
Хотя с ростом температуры вещества населенности верхних энергетических уровней увеличиваются, а число частиц в основном состоянии уменьшается, из приведенных соотношений следует, что простым нагреванием вещества до самых высоких температур нельзя создать инверсную населенность и
(19.2)
Так как при термодинамическом равновесии
= Jh_ e-iEi-Ej)/kT< gi gj gj
(19.3)
К (со) =х (со) [/,(?„) — fe (Ee)J.
(19.4)
[569]:
AF = Fe-Fh>Ec-Ev.
(19.5)
302
получить отрицательный коэффициент поглощения. Для этой цели в квантовой электронике разработано несколько способов возбуждения вещества, называемых обычно накачкой.
Первое предложение использовать стимулированное испускание для усиления электромагнитных волн было высказано В. А. Фабрикантом в его докторской диссертации в 1939 г. Однако практически эта идея была реализована значительно позже при создании мазеров, лазеров, квантовых усилителей электромагнитного излучения и других устройств квантовой электроники.
Способы накачки. В первом мазере на молекулах аммиака инверсная населенность создавалась путем пространственного разделения возбужденных и невозбужденных частиц. Молекулы аммиака имеют два уровня, расстояние между которыми примерно равно 0,1 мэв. Даже при температуре жидкого азота (kT=6,8 мэв) населенности этих уровней практически равны. Для сортировки молекул применяется квадру-польный конденсатор, создающий неравновесное электрическое поле. В этом поле молекулы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, фокусируются ближе к оси резонатора, а невозбужденные молекулы удаляются от оси. На выходе конденсатора в приосевой области концентрация возбужденных частиц оказывается больше, чем невозбужденных.
Атомы и молекулы, обладающие магнитными моментами, сортируются в неоднородных магнитных полях.
Универсальным способом возбуждения генерации служит оптическая накачка. Она незаменима для твердотельных и жидкостных лазеров. С помощью оптического возбуждения создается инверсная населенность в газах и полупроводниках. Для оптического возбуждения используется излучение мощных импульсных ламп и лазерных источников. Маломощные твердотельные лазеры могут генерировать при возбуждении сфокусированным солнечным светом.
Основным методом возбуждения генерации в газах служит электрический разряд. Механизм возбуждения такой же, как в газосветных лампах. Если стеклянную или кварцевую трубку наполнить газом при низком давлении и приложить к ее концам высокое напряжение, то после поджига искрой возникнет электрический разряд. Электроны будут разгоняться в поле и бомбардировать атомы (молекулы), вызывая их ионизацию и переход на более высокие энергетические уровни. В результате образуется инверсная населенность одной или нескольких пар уровней. В трубках электроионизационных лазеров газ находится при высоком давлении, а свободные электроны создаются с помощью потока частиц высоких энергий. Таким путем удается получить более высокие значения коэффициента усиления.
303
В ’полупроводниках инверсная населенность впервые была создана при инжекции тока через р — «-переход (§ 20). В дальнейшем оказалось возможным возбудить генерацию с помощью оптической накачки и при бомбардировке пучком быстрых электронов. Доказана возможность получения активной среды при возбуждении полупроводников импульсным электрическим полем.
В газодинамических лазерах газовая смесь нагревается до температуры две тысячи градусов. Образуется сверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, быстро расширяется й охлаждается. На уровнях со сравнительно большим временем жизни остается значительное число частиц и возникает инверсная населенность.
Активная среда может возникнуть также в результате химических реакций. Например, в смеси газов водорода и фтора возможна цепная химическая реакция, в результате которой образуются молекулы фтористого водорода в возбужденном состоянии и можно получить генерацию на длине волны ~3 мкм. Возбужденные молекулы HF способны передавать свою энергию молекулам другого газа, в частности СОг-Тогда генерируется излучение с длиной волны 10,6 мкм, характерное для лазеров на СОг.
Оптические резонаторы. Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех типах лазеров, служит интерферометр Фабри — Перо, состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии / друг от друга (рис. 95). В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице, а пропускание равно нулю. 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.
