ЛАЗЕРНОЕ УСИЛЕНИЕ

КОГЕРЕНТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ — ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Оптическое излучение люминесцирующего полупроводника представляет собой суперпозицию электромагнитных волн, излучаемых большим числом возбужденных атомов. Если каждый атом излучает независимо от остальных так, что значения параметров n, j0, а также направления поляризации различны для всех излучающих атомов, то имеет место некогерентное излучение. Оно является хаотическим, многочастотным и характеризуется только интенсивностью (амплитудой), не имеет строгой направленности.

Если же колебания всех излучающих атомов протекают согласованно во времени, т. е. значения параметров n, j0 и направления поляризации для всех атомов одинаковы, то имеет место когерентное излучение.

В современной оптоэлектронике источниками когерентного излучения являются только лазеры. Лазерное излучение исключительно направленно и монохроматично.

Лазер— генератор излучения, когерентного во времени и в пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту систему излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) часть электронов с нижних равновесных уровней переходит на более высокие уровни, а затем оказывается на уровне возбуждения (рис. 5.27). Возвращение этих электронов с уровня на уровень сопровождается испусканием фотонов с длиной волны

(5.16)

где — выражается в мкм; — в эВ.

Процесс перехода электронов с уровня на уровень .может проходить по-разному. Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается лишь среднестатистическими параметрами (переходы 1—3на рис. 5.27). Такой процесс перехода излучающих атомов из возбужденного состояния в равновесное не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентного излучения.

Рис. 5.27. Квантовые переходы в лазерном веществе

 

Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность вынужденных пере- ходов из энергетического состояния в (переходы 4,5на рис. 5.27). Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязанно и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, вынужденное излучение— это когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением).

Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии, используемые при усилении или генерировании лазерного излучения, называют лазерными уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии или зонами — это лазерный переход: он характеризуется длиной волны , определяемой выражением (5.16). Наряду с лазерными переходами (из состояния в состояние — переходы 4,5на рис. 5.27) существуют спонтанные переходы из в(13 на рис. 5.27), а также переходы из в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход 6на рис. 5.27).

Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Количество лазерных переходов за время можно в первом приближении выразить в виде

(5.17)

где — вероятность лазерного перехода; — энергия вынуждающего излучения; — концентрация атомов в энергетическом состоянии

Спонтанные переходы из в происходят самопроизвольно (т. е. от вынуждающего излучения не зависят) и в формировании полезного лазерного излучения не участвуют. Количество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде

(5.18)

где — вероятность спонтанного перехода

Количество квантовых переходов, приводящих к поглощению вынуждающего излучения, определяется выражением

(5.19)

где — вероятность квантового перехода с поглощением излучения;— концентрация атомов в энергетическом состоянии .

Полагая в первом приближении равенство вероятностей , получаем условие лазерного усиления в виде

(5.20)

При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления имеет вид

или (5.21)

В равновесном состоянии системы всегда и лазерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки), таких, как инжекция носителей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.

Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе приобретает энергии за счет лазерных переходов больше, чем отдает из-за поглощения.

Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного перехода В21и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов в полупроводниках и большая плотность энергетических состояний в зонах позволяют получить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с примесями) и в газовых лазерах используются переходы в изолированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.