Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
интенсивными полосами поглощения в видимой или ближней ультрафиолетовой
области спектра. Известно несколько сотен органических соединений
различных классов, на которых получен лазерный эффект. К наиболее
эффективным относятся ксантеновые, полиметиновые, оксазино-вые красители,
кумарины, фталимиды.
При возбуждении растворов красителей в импульсном режиме применяются
рубиновые, неодимовые, а также некоторые типы газовых лазеров. Для работы
в непрерывном режиме источником непрерывной накачки в большинстве случаев
служит аргоновый лазер. Схема лазера непрерывного излучения на красителях
показана на рис. 92, где 1 - лазер накачки, 2 - зеркала резонатора, 3 -
краситель, 4 - кювета, 5 - излучение лазера на красителях. Для исключения
термооптического искажения раствором спектра излучения рабочую жидкость
необходимо прокачивать через зону генерации так, чтобы за несколько
микросекунд произ-
149
Р и с. 92
вести полную смену ее в активной области. Это вызвано также
необходимостью вывода из зоны генерации продуктов фотораспада,
образующихся под действием накачки.
Коэффициент полезного действия жидкостных лазеров колеблется в широких
пределах - от 0,1 до 75%.
III. 6. Полупроводниковые лазеры
В 1957 г. советский физик Н. Г. Басов впервые предложил использовать
полупроводники в качестве активной среды ОКГ [13, 14].
Известно, что в лйбом полупроводнике энергетические уровни могут
заполняться электронами за счет введения донорных или акцепторных
примесей. Однако это не приводит к созданию инверсной заселенности ни
между зонами (проводимости и валентной), ни внутри них. Избыточные
носители (электроны) в зоне проводимости находятся в тепловом равновесии
с дырками донорных уровней. Аналогично избыточные дырки в валентной зоне
уравновешиваются электронами, находящимися на акцепторных уровнях.
Однако другие явления наблюдаются в случае использования вырожденного
полупроводника с р-"-переходом. В кристалле такого полупроводника "-
область имеет избыток электронов, а р-область - избыток дырок. Но эти
области разделены р-"-переходом, потенциальный барьер которого не
позволяет дыркам и электронам рекомбинировать.
При высоких концентрациях примесей, вводящихся в полупроводник,
предназначенный для работы в каче-
150
0 0 0 0 (c) 0 0(c)" (c) (r) (c) (c) 0 0 Р
(c)О (c) (c)
(c) (c) (c) (c)_ (c) Q О(c)
W
6
п
Р и с. 93
стве активного элемента ОКГ, создается такое положение, когда уровень
Ферми, единый для всей области перехода, расположен внутри зоны
проводимости "-области и внутри валентной зоны р-области (рис. 93,а).
Равновесие нарушается при приложении к переходу напряжения в прямом
направлении: высота потенци-
ального барьера понижается, и в узкой области р-"-перехода шириной в
несколько микрон возникает область с инвертированной заселенностью (рис.
93,6). Вследствие исчезновения потенциального барьера электроны и дырки
вливаются в смежные р- и "-области, где и рекомбинируют друг с другом,
испуская квант электромагнитного излучения, которое наблюдается в
плоскости р-"-перехода.
Для поддержания инверсной заселенности необходимо непрерывно
компенсировать убывание неравновесных носителей путем введения (инжекции)
электронов в "-область полупроводника (при этом одновременно происходит
инжекция дырок в p-область). Такое перемещение носителей осуществляется
за счет внеш-
151
1
него источника тока, называемого источником накачки. Длительность
токового импульса накачки определяет длительность свечения р¦-п-перехода.
Принципиальная схема полупроводникового лазера показана на рис. 94.
Полупроводниковый квантовый генератор состоит из трех основных узлов:
источника излучения, генератора импульсов тока и устройства, охлаждающего
активный элемент (криостата). В качестве источника излучения наиболее
широко применяется лазерный диод на арсениде галлия 1. Для улучшения
отвода тепла от активного элемента (диода) используется специальная
конструкция держателя в виде галеты, состоящая из двух металлических
пластин 2 и 3 и высокоомного изолятора 4. Материал металлических пластин
выбирается таким образом, чтобы при высокой теплопроводности в условиях
низких температур он обладал температурным коэффициентом линейного
расширения, равным коэффициенту расширения активного элемента. Все
элементы конструкции после предварительной металлизации сплавляются, чем
обеспечиваются хороший тепловой контакт и механическая прочность
конструкции. В качестве хладоаген-та используется жидкий азот. Импульсный
генератор 5 служит для получения возбуждающих лазерный диод импульсов
тока. Особенностью генератора являются большая амплитуда (более 100 А) и
малая длительность (0,1-0,2 мкс) генерируемых импульсов тока, работа на
низкоомную нагрузку (0,05-0,1 Ом).
152
Мощность излучения полупроводниковых лазеров в импульсном режиме
колеблется в пределах 3-200 Вт при частоте следования 0,01 - 1 кГц.
Коэффициент полезного действия находится в пределах 15-90%.
