Материал: Лазеры на основе конденсированных сред

Лазеры на красителях, имея Δνнеодн~1013 Гц и М>104, позволяют в режиме пассивной синхронизации мод (см., раздел 3.3) осуществить генерацию ультракоротких импульсов излучения (τ~10-14…10-13 c).

Особую группу составляют лазеры на красителях с распределённой обратной связью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора играет структура с периодически изменяющимся показателем преломления и (или) усиления. Обычно она создается в активной среде под действием двух интерферирующих пучков накачки. РОС-лазер характеризуется узкой линией генерации (~10-2см-1), которая может перестраиваться в пределах полосы усиления путём изменения угла между пучками накачки.

Среди сфер применений лазеров на красителях: фотохимия, селективная накачка квантовых состояний в спектроскопии, при разделении изотопов и др.

.5 Перестраиваемый лазер на сапфире, легированном титаном

Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает и твёрдотельный лазер на кристалле корунда, активированного титаном (Al2O3:Ti3+), называемом сапфиром.

Лазер на сапфире относится к группе т.наз. вибронных лазеров, отличающихся тем, что их основной электронный терм представляет собой полосу из колебательных подуровней (кристаллической решётки), благодаря чему лазер работает по четырёхуровневой схеме, и подобно лазеру на красителе создаёт возможность плавной перестройки генерации в диапазоне λ660-1180 нм. Полоса поглощения простирается от λ0,49 мкм до λ0,54 мкм. Малое время жизни возбужденного состояния "2" Ti3+ делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера, которая, как правило, осуществляется непрерывным аргоновым лазером (λ488 нм и λ514,5 нм), второй гармоникой неодимового лазера (λ530 нм) или импульсами излучения лазера на парах меди (λ510 нм).

Несомненными достоинствами сапфирового лазера с титаном являются гораздо более высокая допустимая мощность накачки без деградации рабочего вещества и более широкая неоднородно уширенная линия люминесценции. В результате в режиме синхронизации мод получена последовательность импульсов с длительностью порядка десятков фемтосекунд (1фс=10-15 с), а с последующей компрессией (сжатием) импульсов в нелинейных волоконных световодах-до 0,6 фс.

.6 Перестраиваемые лазеры на центрах окраски

Такие лазеры, как и рассмотренные выше твёрдотельные лазеры, в качестве активного вещества используют ионные кристаллы, но с центрами окраски, называемыми F-центрами, что позволяет осуществлять перестройку их излучения. Лазерные материалы для таких лазеров: кристаллы фторидов и хлоридов щелочных металлов (Li, Na, К, Rb), а также фторидов Ca и Sr. Воздействие на них ионизирующих излучений: гамма-квантов, электронов высоких энергий, рентгеновского и жесткого УФ излучений, а также прокаливание кристаллов в парах щелочных металлов приводит к возникновению точечных дефектов кристаллической решётки, локализующих на себе электроны или дырки. Вакансия, захватившая электрон, образует дефект, электронная структура которого подобна структуре атома водорода. Такой центр окраски имеет полосы поглощения в видимой и УФ областях спектра.

Схема генерации лазера на центрах окраски аналогична схемам жидкостных лазеров на органических красителях. Впервые генерация вынужденного излучения на центрах окраски была получена в кристаллах КCl-Li при импульсной оптической накачке. На данный момент генерация наблюдалась на большом числе различных центров окраски с ИК-излучением в импульсном и непрерывном режимах с когерентной ОН. Перестройка частоты излучения осуществляется с помощью дисперсионных элементов (призм, дифракционных решёток и др.), помещаемых в резонатор. Однако плохие термо- и фотостабильность препятствуют широкому применению таких лазеров.

Рис. 9. Волоконный лазер. 1 - легированное волокно, 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3, 4 - "Брэгговские" дифракционные решетки (отражатели).

.7 Волоконные лазеры

Волоконными называют лазеры, резонатор которых построен на базе оптического волокна-волновода, являющегося и активной средой лазера, в котором генерируется излучение (рис. 9). Используется кварцевое волокно, легированное редкоземельными элементами (Nd, Ho, Er, Tm,Yb и др.), или пассивное волокно с использованием эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В последнем случае оптический резонатор образует световод в сочетании с "брэгговскими" решётками показателя преломления, "встроенными" в волокно. Такие лазеры называют волоконными "рамановскими" лазерами. Излучение лазера распространяется внутри оптического волокна и поэтому резонатор волоконного лазера отличается простотой и не требует юстировки. В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию ультракоротких (фемтосекундных, пикосекундных) световых импульсов.

4. Параметрическая генерация света

Параметрическая генерация света (ПГС) осуществляется под действием лазерного оптического излучения накачки в твёрдых телах-кристаллах, обладающих нелинейными свойствами, и характеризуется достаточно высоким коэффициентом преобразования (десятки процентов). При этом удаётся плавно перестраивать частоту выходного излучения. В определённом смысле ПГС, как и рассмотренное выше явление умножения и сложения частот, можно рассматривать как генерацию перестраиваемого излучения при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

В основе явления ПГС, как и при умножении и сложении частот лежат нелинейно-оптические явления в средах. Рассмотрим случай, когда со средой, обладающей нелинейными свойствами и находящейся в открытом оптическом резонаторе (ООР), взаимодействует лазерное излучение достаточно высокой интенсивности, имеющее частоту ν0 (накачка). За счёт накачки энергией этой волны в среде могут возникать две новые световые волны:

) волна "шумовой" природы с некоторой частотой ν1;

) волна с разностной частотой (ν0-ν1), которая является результатом нелинейного взаимодействия излучения накачки и случайного (шумового) волны с частотой ν1.

Причём частоты ν1 и (ν0-ν1) должны быть собственными частотами ООР и для всех трёх волн должно выполняться условие волнового синхронизма:

.

Другими словами, световая волна накачки с частотой ν0 с помощью вспомогательной шумовой волны с частотой ν1, преобразуется в волну с частотой (ν0-ν1).

Перестройка частоты излучения ПГС осуществляется путём подбором ориентации двулучепреломляющего нелинейного кристалла путём его вращения, т.е. изменения угла между его оптической осью и осью резонатора для того, чтобы выполнялось условие волнового синхронизма. Каждому значению угла отвечает строго определённая комбинация частот ν1 и (ν0-ν1), для которых в данный момент выполняется условие волнового синхронизма.

Для реализации ПГС могут использоваться две схемы:

) "двухрезонаторная" схема, когда генерируемые волны с частотами ν1 и (ν0- ν1) возникают в одном ООР, при этом потери ООР для них должны быть малы;

) "однорезонаторная" схема, когда в ООР генерируется только одна волна с частотой (ν0-ν1).

В качестве активной среды может использоваться кристалл LiNbO3 (ниобат лития), накачиваемый излучением второй гармоники ИАГ:Nd3+ (λ0,53 мкм) и плавную перестройку можно осуществлять в диапазоне до λ3,5 мкм в пределах 10%. Набор оптических кристаллов с различными областями нелинейности и прозрачности позволяет осуществлять перестройку в ИК области до 16 мкм.

5. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковыми называют такие твёрдотельные лазеры, в которых в качестве активной среды (рабочего вещества) используются кристаллы полупроводников различного состава с инверсией населенностей на квантовом переходе. Решающий вклад в создание и усовершенствование таких лазеров внесли наши соотечественники Н.Г. Басов, Ж.И. Алфёров и их сотрудники.

.1 Принцип действия

В полупроводниковых лазерах, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твёрдотельных), используются излучательные переходы не между изолированными энергетическими уровнями атомов, молекул и ионов, не взаимодействующих или слабо взаимодействующих между собой, а между разрешёнными энергетическими зонами кристалла. Излучение (люминесценция) и генерация вынужденного излучения в полупроводниках обусловлена квантовыми переходами электронов как между энергетическими уровнями зоны проводимости и валентной зоны, так и между уровнями этих зон и примесными уровнями: переходы донорный уровень-акцепторный уровень, зона проводимости - акцепторный уровень, донорный уровень - валентная зона, в том числе и через экситонные состояния. Каждой энергетической зоне соответствует очень большое (~1023-1024) число разрешённых состояний. Поскольку электроны относятся к фермионам; то, например, валентная зона может быть полностью или частично заполнена электронами: с плотностью, убывающей снизу вверх по шкале энергий - подобно распределению Больцмана в атомах.

В основе излучения полупроводников лежит явление электролюминесценции. Фотон испускается в результате акта рекомбинации носителей заряда-электрона и "дырки" (электрон из зоны проводимости занимает вакансию в валентной зоне), при этом длина волны излучения определяется шириной запрещённой зоны. Если создать такие условия, что электрон и дырка перед рекомбинацией будут находиться в одной области пространства достаточно долгое время, и в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон с частотой, находящейся в резонансе с частотой квантового перехода, то он может индуцировать процесс рекомбинации с испусканием второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками, что и у первого фотона. Например, в собственных ("чистых", "безпримесных") полупроводниках, существует заполненная валентная зона и практически свободная зона проводимости. При межзонных переходах для возникновения инверсии и получения генерации необходимо создать избыточные неравновесные концентрации носителей заряда: в зоне проводимости - электронов, а в валентной зоне дырок. При этом интервал между квазиуровнями Ферми должен превышать ширину запрещённой зоны, т.е. один или оба квазиуровня Ферми будут находиться внутри разрешённых зон на расстояниях не более kT от их границ. А это предполагает возбуждение такой интенсивности, чтобы было создано вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

Первые полупроводниковые лазеры использовали арсенид галлия (GaAs), работали в импульсном режиме, излучали в ИК диапазоне и требовали интенсивного охлаждения. Дальнейшие исследования позволили внести много существенных улучшений в физику и технику лазеров такого типа, и в настоящее время они излучают и в видимом, и в УФ диапазонах.

Вырождение полупроводника достигается путём его сильного легирования при высокой концентрации примеси, такой, что проявляются в основном свойства примеси, а не свойства собственного полупроводника. Каждый атом донорной примеси отдаёт в зону проводимости кристалла один из своих электронов. Напротив, атом акцепторной примеси захватывает один электрон, который был обобществлен кристаллом и находился в валентной зоне. Вырожденный n-полупроводник получается, например, при внесении в GaAs примеси теллура (концентрация 3-5·1018 см³), а вырожденный p-полупроводник - примеси цинка (концентрация 1019 см³). Генерация осуществляется на ИК длинах волн от 0,82 мкм до 0,9 мкм. Распространены и структуры, выращенные на подложках InP (ИК область λ1-3 мкм).

Полупроводниковый кристалл простейшего лазерного диода, работающего на "гомопереходе" (рис. 10), имеет вид очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где распространяется излучение. Верхний слой кристалла легируется для создания p-области, а в нижнем слое создаётся n-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла скалывают и полируют для образования гладких параллельных отражающих плоскостей, которые образуют открытый оптический резонатор-интерферометр Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный в плоскости p-n перехода перпендикулярно отражателям, проходя вдоль резонатора, будет вызывать вынужденные рекомбинационные переходы, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, т.е. излучение будет усиливаться, начнётся генерация. При этом лазерный луч будет формироваться за счёт неоднократного прохода по оптическому волноводу и отражения от торцов.

Рис. 10. Схема устройства полупроводникового инжекционного лазера (лазерного диода)

Важнейшим видом накачки в полупроводниковых лазерах является инжекционная накачка. При этом активными частицами служат свободные носители заряда - избыточные неравновесные электроны проводимости и дырки, которые инжектируются в p-n-переход (активную среду), при пропускании через него электрического тока в "прямом" направлении при "прямом" смещении, уменьшающем высоту потенциального барьера. Это позволяет осуществить непосредственное преобразование электрической энергии (тока) в когерентное излучение.

Другими способами накачки служат электрический пробой (в т. наз. стримерных лазерах), накачка пучком электронов и оптическая накачка.

.2 ДГС-лазеры

Если расположить слой с более узкой запрещённой зоной (активная область) между двумя слоями с более широкой запрещённой зоной, будет создана т.н. гетероструктура. Лазер, её использующий, называют лазером на двойной гетероструктуре (ДГС-лазер, или "double heterostructure", DHS-laser). Такая структура образуется при соединении арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs). Достоинство таких лазеров состоит в малой толщине среднего слоя - активной области, где локализуются электроны и дырки: свет дополнительно отражается от гетеропереходов, и излучение будет заключено в области максимального усиления.

Если с двух сторон кристалла ДГС-лазера добавить ещё два слоя с меньшим показателем преломления по сравнению с центральными, то образуется напоминающая световод структура, более эффективно удерживающая излучение (ДГС-лазер с раздельным удержанием, или "separate confinement heterostructure", SCHS-laser). Большинство лазеров, произведённых в последние десятилетия, изготовлены именно по такой технологии. Развитие современной оптоэлектроники, солнечной энергетики происходит на основе квантовых гетероструктур: в т.ч. с квантовыми "ямами", квантовыми "точками".

5.3 РОС- и ВРПИ-лазеры

В лазерах с распределённой обратной связью (РОС или "distributed feedback"-DFB-laser) в районе p-n перехода наносится система поперечных рельефных "штрихов", образующих дифракционную решётку. Благодаря этой решётке излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор, и на ней происходит генерация, т.е. осуществляется стабилизация длины волны излучения (лазеры для многочастотной волоконно-оптической связи).

Полупроводниковый "торцевой" лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла и называемый лазером "с вертикальным резонатором и поверхностным излучением" (ВРПИ-лазер, или "vertical cavity surface-emitting": VCSE-laser), имеет симметричную диаграмму направленности излучения с малым углом расходимости.

В активной среде полупроводникового лазера может достигаться очень большое усиление (до 104 см-1), благодаря чему размеры активного элемента П. л. лазера исключительно малы (длина резонатора-50 мкм…1 мм). Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются: простота управления интенсивностью путём изменения величины тока, малая инерционность (~10-9 с), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне от УФ, видимого до среднего ИК. В то же время по сравнению с газовыми лазерами полупроводниковые отличаются относительно низкой степенью монохроматичности и когерентности излучения и не могут излучать на разных длинах волн одновременно. Полупроводниковые лазеры могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми (с большой шириной активной зоны). Многомодовые лазеры применяются в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие малой расходимости луча. Областями применений полупроводниковых лазеров являются: устройства обработки информации-сканеры, принтеры, оптические запоминающие устройства и др., измерительные устройства, накачка других лазеров, лазерные целеуказатели, волоконная оптика и техника.

Список литературы

1.      Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике М.: Наука, 1988. 2-е изд., - 336 с.

.        Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984, -395с.; 3-е изд. 1990, 560с.; 4-е изд. 1998, - 540 с.

.        Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001. - 573 с.

.        Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд. МГУ, 2004. 2-е изд. - 656 с.

.        Малышев В.А. Физические основы лазерной техники. М.: Высшая школа, 200 - 543 с.