Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Грибковский В.П. -> "Теория поглощения и испускания света в полупроводниках" -> 110

Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.

Грибковский В.П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках — М.: Наука и техника , 1975. — 464 c.
Скачать (прямая ссылка): teoriyapoglosheniyaiispuskaniya1975.djvu
Предыдущая << 1 .. 104 105 106 107 108 109 < 110 > 111 112 113 114 115 116 .. 176 >> Следующая

Из (19.17) следует, что при отсутствии внешнего возбуждения, когда
п° — п° — — п°[ 1 — ехр (— ba^jkT)] < 0, (19.18)
Si
генерация невозможна даже в идеальном резонаторе, для которого 8ц=Ъ, а добротность Q->~oо. Для осуществления генерации необходимо вывести систему из состояния термодинамического равновесия. При этом могут реализоваться два качественно различных случая. В первом случае уровень / — основной уровень вещества, во втором j — возбужденный уровень.
Если / — основной уровень и на нем до начала возбуждения находится Ю17—1019 частиц, то для осуществления генерации на частоте юц необходимо перевести на f-й уровень большое число частиц, сравнимое по порядку величины с п. Это легко сделать в таких веществах, в которых f-й уровень метастабильный и на нем происходит накопление возбужденных частиц (§ 13). Простейшей моделью аналогичных веществ служит система частиц с тремя уровнями энергии, в которой второй уровень метастабильный.
Если же /-й уровень относится к числу возбужденных, то при низких температурах на нем может быть сколь угодно мало частиц. Поэтому создание инверсной населенности уровней i, /, необходимое для генерации, возможно без существенного обеднения частицами основного состояния. Это важное обстоятельство накладывает отпечаток на характер поглощения, люминесценции и генерации активного вещества в резонаторе. Поэтому принято различать трехуровневые и четырехуровневые оптические квантовые генераторы.
Генерация в полупроводниках и сложных молекулах, как правило, происходит по четырехуровневой схеме, поскольку верхние уровни валентной зоны и основной электронно-колебательной полосы, безусловно, относятся к возбужденным уровням.
310
•<
А
Населенности уровней, входящие в (19.17), зависят и от интенсивности накачки ит1, и от плотности генерируемого излучения uij в резонаторе. Если положить плотность генерируемого излучения и1} — 0, то формула (19.17) будет определять пороговое значение радиации накачки u^i.
Учитывая (13.10) и представляя определители в виде
Д- (uij = 0) = Д + A tBmluml,
0,(Иц = О)=Я? + Д,Вк1Иы, (19.19)
?>(иу = 0) =D°+ AmlBmluml, после несложных преобразований находим
, O/t -h®i ;/кТ
и", =____________________I_HlQ__________?-L+ . (19.20)
nBkl aigjlBi — Bi — bjPmi
Здесь
A, Dj
а, = —i-, а, = —3-
D0 ’ 1 &
— положительные параметры,
aml = ^
N
— параметр нелинейности в канале Через nf обозначе-
но число частиц на j-м уровне при отсутствии внешнего возбуждения.
В трехуровневых генераторах nj близко или равно общему числу частиц п, поэтому пороговое значение радиации накачки не равно нулю даже в идеально хорошем резонаторе с Кц(шг)=0 (8,ч- = 0). В четырехуровневых лазерах /-й уровень относится к возбужденным уровням и п°- _^о, если температура среды достаточно низкая. Поэтому при 5,-»->-0 порог генерации стремится к нулю. Генерация четырехуровневых лазеров возможна при малых плотностях радиации накачки.
Плотность энергии генерируемого излучения внутри резонатора легко рассчитать, если учесть, что коэффициент усиления выражается в явном виде как функция щ —игц(аг)Д(ог, где Дюг — ширина линии генерируемого излучения.
Обозначая коэффициент усиления вещества на частоте генерации при отсутствии резонатора (игц = 0) через кц (мг), на основании (13.20) находим
,,ус , ч к?'Ю „поп
Подстановка (19.21) в (19.12) дает
uh = К) —^п К) t (19.22)
Коэффициент потерь выражается формулой (19.12), рецепт вычисления параметров нелинейности aij изложен в § 13. Коэффициент усиления K°ij (сог) при возбуждении вещества в канале т-и на основании общего решения балансных уравнений (§ 13) можно представить в виде
К- - (ft) ) = 1^т1 — 0) ~|~ КЦ (<Ог) &miSmi 2щ
Г 1 + ат1$т1
Если возбуждение отсутствует, Sml — 0, то коэффициент усиления равен исходному коэффициенту поглощения кп(а>Т, Sml — 0), взятому с обратным знаком. При ocmlSml -*¦ оо коэффициент усиления стремится к своему предельному значению, равному к\) (сог). Значение к“/ (сог) может быть как положительным, так и отрицательным, поскольку оно определяется разностью (Agjlgf — Л7-)-Очевидно, генерация возможна только на таких частотах, для которых K?j (мг) > 0.
В этом случае, как видно из (19.23), при слабом возбуждении коэффициент усиления меньше нуля, затем обращается в нуль при некотором значении S°mi, которое можно рассматривать как порог генерации в идеальном резонаторе с /с„=0. Значение к” (сог) увеличивается от 0 до /с?/ с ростом накачки от S°mi до оо.
В трехуровневых лазерах кн (<ог, Sml = 0) и кГ;- (юг) сравнимы по порядку величины. Поэтому amlS°mi 1 и коэффициент усиления становится положительными на нелинейном участке кривой
(19.23). В четырехуровневых генераторах, к которым относятся и полупроводниковые лазеры, к”; (сог) может быть на несколько порядков больше первого слагаемого в числителе (19.23). Тогда в некотором интервале значений Sml, удовлетворяющих условию
ат(Д<КАг«1, (19.24)
будет наблюдаться линейная зависимость коэффициента усиления от накачки. Обозначая коэффициент пропорционально-
сти через р, эту зависимость можно выразить формулой
Предыдущая << 1 .. 104 105 106 107 108 109 < 110 > 111 112 113 114 115 116 .. 176 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed