Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазере. Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазе. Реферат Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазере Преподаватель О. И. Наслузова подпись, дата инициалы, фамилия

• Название: Реферат Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазере Преподаватель О. И. Наслузова подпись, дата инициалы, фамилия
• Анкор: Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазере
• Дата: 26.12.2021
• Размер: 220.04 Kb.
• Имя файла: Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазе.docx
• Тип: Реферат; #318571

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт нефти и газа

Технологические машины и оборудование

нефтегазового комплекса

Реферат

«Вынужденные излучения и система накачки в полупроводниковом лазере»

Преподаватель _________ О.И. Наслузова

подпись, дата инициалы, фамилия

Студент НГ18-01, 081831645 _________ О.А. Макарова

номер группы, зачётной книжки подпись, дата инициалы, фамилия
Красноярск, 2019

Содержание

1.ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ 3

1.1 Определение 3

1.2 Теория Эйнштейна 3

1.3 Связь между коэффициентами в теории 5

1.4 Отличия вынужденного излучения от спонтанного 6

2.СИСТЕМА НАКАЧКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 7

1. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

1.1 Определение

Вынужденное излучение — индуцированное излучение или испускание электромагнитных волн квантовыми системами (атома, молекулы, ядра и т. д.) под действием падающего на них излучения.

При этом выполняется важное условие — испускаемые лучи сохраняют все характеристики лучей, вызывающих их излучение.

Например, фотоны, испускаемые при вынужденном излучении, совпадают по частоте, направлению распространения и поляризации с фотонами, вынуждающими их испускание. В квантовых системах (атома, молекулы, ядра и т. д.) при взаимодействии с возбудителем спокойствия получаем, что с нижележащего на вышележащий энергетический уровень при взаимодействии с фотоном, энергия которого равна разности энергий уровней, испускается фотон с такими же энергией, импульсом, фазой и поляризацией, что и первоначальный фотон (который не поглощается). Оба фотона когерентны.

1.2 Теория Эйнштейна

А. Эйнштейн в теории о вынужденном излучении (испускании) внес неоценимый вклад. Его гипотеза состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

• 
  перейти с более низкого энергетического уровня E1 на более высокий E2 с поглощением фотона энергией ℏω=E2−E1 (см. рис. 1.1);
  

Рис. 1.1

• 
  перейти с более высокого энергетического уровня E2 на более низкий E1 с испусканием фотона энергией ℏω=E2−E1 (см. рис. 1.2);
  

Рис. 1.2

• 
  также, как и в отсутствие возбуждающего поля, не исключается самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на нижний энергетический уровень с испусканием фотона энергией ℏω=E2−E1 (см. рис. 1.3).
  

Рис. 1.3

Откуда принято:

• 
  первый процесс называть поглощением;
  
• 
  второй — вынужденным (индуцированным) испусканием;
  
• 
  третий — спонтанным испусканием.
  

Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: B12⋅u и B21⋅u, где B12, B21 — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, u — спектральная плотность излучения.

Число переходов dn1 с поглощением света выражается как



с испусканием света даётся выражением:



где A21 — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а n1, n2 — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число [квантов] света dn1 при переходах 1→2 должно равняться числу квантов dn2, испущенных в обратных переходах 2→1.

1.3 Связь между коэффициентами в теории

• 
  В случае замкнутой полости:
  

стенки её испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью u (ω, T), получаемой из формулы Планка:



Так как рассматривается термодинамическое равновесие, то dn1=dn2. Используя уравнения (2) и (3), находим для состояния равновесия:



откуда:

• 
  При термодинамическом равновесии распределение частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана:
  

где g1 и g2 — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Примем для простоты, что статвеса уровней равны единице.

Сравнивая (4) и (5) и приняв, что ℏω=E2−E1, получим:



Так как при T→∞ спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то следует принять знаменатель равным нулю, откуда:



Далее, сопоставив (3) и (6), получаем:



Последние два соотношения справедливы для любых комбинаций уровней энергии. Их справедливость сохраняется и при отсутствии равновесия, так как определяются характеристикой системы, не зависящей от температуры.

1.4 Отличия вынужденного излучения от спонтанного

По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного:

• 
  Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток распространяется в том же направлении что и первоначальный возбуждающий поток.
  
• 
  Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны.
  
• 
  Вынужденный поток когерентен возбуждающему.
  

2. СИСТЕМА НАКАЧКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

Накачка лазера – процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера.

Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбуждённое состояние. Когда число атомов в возбуждённом состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населённости. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излучение лазера или же оптическое усиление. Мощность накачки должна превышать порог генерации лазера. Энергия накачки может предоставляться в виде света, электрического тока, энергии химической или ядерной реакций, тепловой или механической энергии.

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

В полупроводниковых лазерах используется накачка электронным пучком (для полупроводниковых лазеров из беспримесного полупроводника) и подачей прямого напряжения (для инжекционных полупроводниковых лазеров).

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 2.1) или продольной (рис. 2.2). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.



Рис. 2.1 – Поперечная накачка электронным пучком



Рис. 2.2 – Продольная накачка электронным пучком

В инжекционном лазере имеется p-n-переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками. При подаче прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 2.3).



Рис. 2.3 – Принцип устройства инжекционного лазера

Накачка обеспечивает импульсный или непрерывный режим работы лазера.