книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
Параметры четырехуровневой схемы так же, как и трехуровневой, не могут быть произвольными, а должны подчиняться определенным условиям.
1.Для поддержания инверсии на рабочем переходе необходимо, чтобы его верхнее состояние 2 заселялось как можно быстрее (это возможно лишь при быстром распаде состояния 3, то есть при N3 < N2).
2.Скорость перехода 3 → 2 должна быть выше скорости перехода 3 → 1, следовательно, необходимо выполнить дополнительно условие S32 > w30.
3.Для накопления атомов в состоянии 2 необходимо также, чтобы вероятность заселения этого состояния по переходам 0 → 3 → 2 превышала вероятность спонтанного перехода 2 → 1, то есть w03 > A21.
4.Также для поддержания инверсии необходимо осуществлять быстрое расселение нижнего уровня рабочего перехода (это возможно тогда, когда скорость его расселения по переходу 1 → 0 преобладает над скоростью его заселения по
переходу 2 → 1, то есть при S10 > w21 + A21, а значит, N1 < N2).
В четырехуровневой схеме отсутствует недостаток трехуровневой схемы.
Поскольку уровень 1 не является основным, то для инверсии населенностей на оптическом переходе не требуется высокой абсолютной населенности состояния 2, что снижает порог генерации.
3.4. Способы возбуждения активных сред
Процесс перевода атомов с нижнего энергетического уровня (основного) на верхний уровень (возбужденный) называется накачкой.
Накачку можно осуществлять различными способами – оптическим, электрическим, химическим, газодинамическим и др.
31
Применение того или иного способа накачки определяется типом активной среды, в которой происходит генерация лазерного излучения.
Одним из наиболее эффективных способов возбуждения является метод оптической накачки.
Возбуждение газовой активной среды осуществляется чаще всего
посредством электрического раз-
ряда, во время которого молекулы газа переходят в возбужденное состояние.
Особенно эффективен этот способ для возбуждения сред, обладающих широкими полосами поглощения (твердых тел, жидкостей).
Обычно для увеличения эффективности накачки к рабочему газу добавляются вспомогательные газы, передающие возбуждение на верхний лазерный уровень рабочего газа и опустошающие его нижний лазерный уровень.
Вполупроводниках активную среду можно создавать инжекцией носителей заряда через моно- и гетеропереходы, бомбардировкой пучком быстрых электронов, оптическим возбуждением, электрическим пробоем в электрическом поле.
Вгазодинамических лазерах активная среда создается в газовой смеси, которая нагревается до высоких температур, формируется в сверхзвуковой поток и затем, выходя из сопла, резко охлаждается.
В химических лазерах для создания активной среды используют энергию, освобождающуюся в химических реакциях.
Примерами таких реакций могут служить реакции диссоциации, фотодиссоциации, взрывные химические реакции.
32
Лекция 4. СПОСОБЫ НАКАЧКИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ
4.1. Оптическая накачка
Характерной особенностью источника света накачки является высокая плотность энергии излучения в спектральной области, приводящей к возбуждению верхнего лазерного уровня.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Накачка некогерентным источником света |
|
||
|
|
|
|
|
(с помощью ламп). |
|
|
|
|
Оптическую накачку можно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
выполнять двумя способами: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Накачка |
когерентным |
(лазерным) |
|
|
|
|
|
|
|
излучением. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.1.1. Некогерентная оптическая накачка
Способ широкополосной оптической накачки с помощью ламп используется в основном в твердотельных и жидкостных лазерах.
Твердые тела и жидкости характеризуются значительным уширением спектральных линий (~100 нм), а потому эти полосы могут поглощать большую долю энергии излучения лампы накачки.
Так как при некогерентной накачке излучение лампы испускается во всех направлениях в широком спектральном диапазоне, то основной проблемой является передача максимальной спектральной энергии излучения лампы накачки к активной среде.
33
Процесс некогерентной оптической накачки состоит из четырех различных этапов: 
Испускание излучения от лампы. 
Перенос этого излучения к активной среде. 
Поглощение излучения к активной среде. 
Передача поглощенной энергии верхнему лазерному уровню. 
|
|
|
|
|
|
КПД накачки ηн можно записать в виде произведения че- |
|
ηн |
= ηл ηпер ηас ηлр |
|
тырех множителей: |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ηл – излучательная эффективность лампы; ηпер – эффективность передачи, которую можно определить
как отношение мощности накачки, действительно поступающей в активную среду;
ηaс – эффективность поглощения, то есть доля света, попадающая в активную среду; ηлр – квантовый выход мощности накачки, которая приводит
к инверсии населенностей на верхнем уровне.
Геометрические параметры ламп накачки делают приближенными к геометрическим параметрам активной среды, а достижение высоких значений КПД накачки ηн определяется конструктивным исполнением и взаимным расположением ламп накачки и активной среды.
Вэллиптическом отражателе лампа размещается вдоль одной из фокальных осей зеркально отражающего эллиптического цилиндра, а лазерный стержень располагается вдоль другой фокальной оси.
Вэтой конструкции луч, выходящий из первого фокуса, проходит после отражения от эллиптической поверхности через второй фокус.
34
Вцилиндрическом отражателе активная среда и лампа накачки располагаются как можно ближе друг другу, что делает конструкцию более компактной, а ее эффективность не намного ниже.
Всистемах с высокой интенсивностью излучения используют многоламповые конструкции, но такая конфигурация имеет более низкий КПД.
В импульсных лазерах используют ксеноновые или криптоновые импульсные лампы при давлении от 450 до 1500 мм рт. ст.
В непрерывных лазерах наиболее часто применяют криптоновые лампы высокого давления при давлении от 1 до 8 атм.
4.1.2. Когерентная оптическая накачка
Способ накачки с помощью лазерного излучения стал актуальным в связи с появлением высокоэффективных (КПД ≥ 60 %) полупроводниковых лазеров.
При накачке активных сред, имеющих узкие линии поглощения, необходимо учитывать ширину спектра излучения диодных лазеров.
Спектральная ширина излучения диодных лазеров может составлять ~ 1 нм, что хорошо согласуется со спектральной шириной многих твердотельных активных сред.
Продольная накачка, при которой излучение накачки вводят в активную среду вдоль на-
Существуют два типа геоправления выхода излучения. метрии накачки диодными
лазерами: 
Поперечная накачка, при которой излучение
накачки вводят в активную среду с одного или нескольких направлений, перпендикулярных направлению выхода излучения.
35
Для продольной накачки излучение диодного лазера фокусируется в активной среде в малое пятно по возможности круглого сечения.
Использование блока линеек диодных лазеров в комбинации со оптоволоконной системой передачи излучения в активную среду позволяет достичь эффективности преобразования излучения накачки в лазерное излучение до 50 %.
Для активных сред в виде пластин либо стержней более эффективно использование поперечной накачки.
Сравнение КПД ламповой накачки и накачки излучением диодных лазеров
|
|
|
|
|
|
Конфигурация накачки |
ηл, % |
ηпер, % |
ηас, % |
ηлр, % |
ηн, % |
Ламповая |
43 |
82 |
17 |
59 |
3 5 |
Лазерная поперечная |
50 |
80 |
90 |
82 |
30 |
Лазерная продольная |
50 |
80 |
98 |
82 |
32 |
Накачки от лампы и диодного лазера дают примерно одинаковые излучательную эффективность ηл и эффективность передачи ηпер.
Почти десятикратное увеличение полного КПД при накачке от диодного лазера обусловлено эффективностью поглощения ηас почти в 6 раз и увеличением квантового выхода накачки ηлр примерно в 1,5 раза.
Помимо высокой эффективности и более низкого порога когерентное излучение по сравнению с некогерентным излучением оказывает в 2 раза меньшую тепловую нагрузку на активную среду, чем ламповая накачка.
Это приводит к уменьшению образования тепловой линзы и появлению наведенного двулучепреломления в активной среде.
Эти два эффекта являются важными факторами для получения высокоэффективного пучка лазерного излучения в одной продольной и поперечной моде.
36
4.2. Электрическая накачка
Электрическая накачка является одним из эффективных способов создания инверсий населенностей в активных средах, в особенности для газовых сред и полупроводников.
4.2.1. Накачка газовой среды
Инверсия населенностей в газовой среде создается пропусканием через нее постоянного, СВЧ или импульсного электрического разряда.
Ток через газ протекает вдоль оси ла-
зера (продольный разряд). Электрический разряд в газовой 
среде создается двумя способами: 
Ток протекает поперек оси лазера
(поперечный разряд).
Электрический разряд в газовой среде приводит к образованию в ней ионов и свободных электронов с дополнительной кинетической энергией.
Свободные электроны, обладая большой скоростью, сталкиваются с нейтральными атомами и, передавая им свою энергию, переводят их в возбужденное состояние.
При возбуждении атомов электрическим разрядом возможны два основных процесса.
|
|
|
|
|
|
|
|
Возбуждение электронным ударом. |
|
|
|
Процесс резонансной передачи энергии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
37
Процесс возбуждения электронным ударом происходит в газе,
состоящем из одного сорта частиц, по реакции (столкновение e + A = A* + e, первого рода):
где А и А* – молекула в нормальном и возбужденном состоянии соответственно; е – свободный электрон.
|
|
|
|
|
|
|
Процесс передачи энергии при столкновении первого рода |
|
|
dN2 = Ng Nevσe |
|
|
описывается кинетическим уравнением: |
|
|
|
|
|
|
|
dt |
||
|
|
|
|
|
|
где Ne – плотность электронов; Ng – число частиц в основном состоянии; v – скорость электронов; σе – сечение возбуждения электронным ударом.
Процесс резонансной передачи энергии (столкновение второго рода) осуществляется в смеси газа, состоящей из двух компонентов.
ЕА |
– энергия перехода между основными и верхним уровнями для молекулы А; |
ЕВ – энергия перехода для молекулы В; Е – разность энергий ЕА и ЕВ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Если молекула B находится в |
основном |
состоянии, |
|
|
|
а молекула А – в возбужденном |
(благодаря |
электрон- |
|
A* + B ↔ A + B* ± E |
|
ному удару), то возможен переход по реакции: |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Разность энергии Е в зависимости от своего знака либо добавляется, либо вычитается от энергии поступательного движения.
Столкновения второго рода описываются кинетическим уравнением: 
dN |
= NA NBvσAB |
, |
где NA и NB – число частиц компонентов А и В |
|
dt |
в смеси газа соответственно. |
|||
|
|
|||
|
|
|
38 |
Процесс столкновения второго рода актуален для тех случаев, когда верхнее состояние молекулы А является метастабильным, то есть переход в нижнее состояние является запрещенным.
Следовательно, столкновение второго рода обеспечивает селективное заселение верхнего уровня молекулы А с последующей передачей этой энергии (возбуждения) верхнему лазерному уровню молекулы В.
Эффективность накачки ηн определяется отношением минимальной мощности накачки, которая соответствует данной скорости dN/dt, и фактической электрической мощности Pн, подводимой к разряду:
|
|
Vach ν tp dN |
Vaс = S·l – объем активной среды; S – площадь поперечного |
|||
ηн |
= |
сечения активной среды; l – ее длина; νtr – разность частот |
||||
|
Pн |
|
dt |
между основным и верхним лазерным уровнями; dN/dt – |
||
|
|
|
|
|||
скорость перехода между уровнями.
Полный расчет КПД является довольно сложной задачей, так как требует решения уравнений переноса Больцмана с привлечением всех известных процессов столкновений с участием электронов, в результате которых происходит возбуждение вращательных, колебательных и электронных степеней свободы всех присутствующих в газе компонентов.
4.2.2. Накачка полупроводниковой среды
Инверсия населенностей в полупроводнике создается на переходах между состояниями в широких электронных энергетических зонах полупроводникового кристалла.
Под действием внешнего поля (энергии накачки) электроны переходят в зону проводимости.
39
В результате быстрых процессов внутризонной релаксации (при электронэлектронных столкновениях, рассеянии на фононах и примесях и т.п.) неравновесные носители могут «термализоваться», то есть перейти на более низкие энергетические уровни в пределах своей зоны, распределившись по энергии Е в соответствии с функцией распределения Ферми для электронов и дырок:
|
|
E − EFэ |
−1 |
||
fэ |
= 1 |
+ exp |
|
|
|
kT |
|||||
|
|
|
|
||
fд = 1
EFд − E −1 |
|||
+ exp |
|
|
|
kT |
|||
|
|
||
где EFэ и EFд – квазиуровни Ферми для электронов и дырок.
Время перераспределения
электронов внутри зоны очень мало (~ 10–13 с).
Время жизни избыточных носителей ограничено рекомбинацией и также мало (~ 10-8 с), но оно существенно превышает время термализации.
Таким образом создается квазиравновесное состояние возбужденной полупроводниковой среды при отсутствии равновесия между зонами.
|
|
|
|
|
Мерой отклонения от равновесия концентрации носителей при |
|
F = EFэ − EFд |
|
квазиравновесии служит разность уровней Ферми: |
|
|
|
|
|
|
Вынужденные переходы преобладают над переходами с поглощением, если вероятность заполнения электронами верхних рабочих уровней превышает вероятность заполнения ими нижних уровней в соответствии с неравенством:
fэ(E + hν ) > 1− fд(E)
где Е – энергия нижнего состояния (в валентной зоне), Е + hν – энергия верхнего состояния (в зоне проводимости).
|
|
|
|
|
|
Из этого неравенства следует условие инверсии для меж- |
|
F > hν |
F > Eg |
|
зонных переходов: |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинация) испускается фотон.
40