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—3 на 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 4,5 на 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 4,5 на рис. 5.27) существуют спонтанные переходы из в(1 — 3 на рис. 5.27), а также переходы из в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход 6 на 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 В₂₁ и 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.