Lazer yuqori direktiv nurli nurli monoxromatik kogerent yorug'lik manbai hisoblanadi

Asosiy xususiyat yarimo'tkazgichli lazerlar ulardan foydalanish hisoblanadi optik o'tishlar energiya darajalari (energiya holatlari) asosiy elektron energiya zonalari kristall. Bu yarimo'tkazgichli lazerlar va, masalan, Al 2 O 3 dagi xrom ioni Cr 3+ ning nopoklik darajalari orasidagi optik o'tishlardan foydalanadigan ruby ​​lazerlar o'rtasidagi farq. Yarimo'tkazgichli birikmalar A III B V yarimo'tkazgichli lazerlarda foydalanish uchun eng mos ekanligini isbotladi (Kirishga qarang). Bu birikmalar va ularning asosida qattiq eritmalar yarimo'tkazgichli lazerlarning aksariyati sanoat tomonidan ishlab chiqariladi. Ushbu sinfning ko'plab yarimo'tkazgichli materiallarida ortiqcha tok tashuvchilarning rekombinatsiyasi tomonidan amalga oshiriladi bevosita o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismiga yaqin to'ldirilgan holatlar va valentlik zonasining yuqori qismiga yaqin bo'lgan erkin holatlar orasidagi optik o'tishlar (1-rasm). Optik o'tishlarning yuqori ehtimoli to'g'ridan-to'g'ri bo'shliq yarimo'tkazgichlar va bantlardagi holatlarning yuqori zichligi olish imkonini beradi yuqori optik daromad yarimo'tkazgichda.
1-rasm. Teskari populyatsiyaga ega to'g'ridan-to'g'ri bo'shliqli yarimo'tkazgichda radiatsion rekombinatsiya paytida foton emissiyasi.
Keling, yarimo'tkazgichli lazerning ishlashning asosiy tamoyillarini ko'rib chiqaylik. Agar yarimo'tkazgich kristall holatda bo'lsa termodinamik muvozanat dan muhit, keyin u faqat mumkin singdirish uning ustiga radiatsiya tushadi. Kristalda uzoq masofani bosib o'tgan yorug'lik intensivligi X, ma'lum munosabat bilan beriladi Buger-Lambert
Bu yerda R- yorug'likni aks ettirish koeffitsienti;
α - yorug'likni yutish koeffitsienti.
Yoritish uchun kuchaygan kristalldan o'tib, zaiflashmagan holda, koeffitsient talab qilinadi α noldan kichik edi, bu termodinamik muvozanat muhiti mumkin emas. Har qanday lazerning ishlashi (gaz, suyuqlik, qattiq holat) lazerning ish muhiti holatda bo'lishini talab qiladi. teskari populyatsiya - yuqori energiya sathlarida elektronlar soni quyi darajalarga qaraganda ko'proq bo'lgan bunday holat (bunday holat "manfiy haroratli holat" deb ham ataladi). Yarimo'tkazgichlarda teskari populyatsiya bilan holatni tavsiflovchi munosabatni olaylik.
Bo'lsin e 1 Va e 2 – optik bog'langan o'zaro energiya darajalari, birinchisi valentlikda, ikkinchisi esa yarimo'tkazgichning o'tkazuvchanlik zonasida (2-rasm). "Optik bog'langan" atamasi ular orasidagi elektron o'tishlariga tanlov qoidalari bilan ruxsat etilganligini anglatadi. Yorug'lik kvantini energiya bilan yutish hv 12, elektron sathidan harakat qiladi e 1 darajaga e 2. Bunday o'tish tezligi birinchi darajani to'ldirish ehtimoli bilan mutanosib bo'ladi f 1 , ikkinchi daraja bo'sh bo'lish ehtimoli: (1- f 2) va foton oqimining zichligi P(hn 12)
Teskari o'tish - yuqori darajadan pastki qismga, ikki yo'l bilan sodir bo'lishi mumkin - tufayli o'z-o'zidan Va majbur rekombinatsiya. Ikkinchi holda, yorug'lik kvantining e 2 darajasida joylashgan elektron bilan o'zaro ta'siri elektronni qayta birlashishga "majbur qiladi". emissiya yorug'lik kvanti bir xil majburiy rekombinatsiya jarayoniga sabab bo'lgan. Bu. tizimda yorug'likning kuchayishi mavjud bo'lib, bu lazerning ishlashining mohiyatidir. Spontan va majburiy rekombinatsiya stavkalari quyidagicha yoziladi:
(3)
Termodinamik muvozanat holatida
. (5)
5-shartdan foydalanib, koeffitsientlarni ko'rsatish mumkin 12 da, SOAT 21 Va A 21("Eynshteyn koeffitsientlari") o'zaro bog'liqdir, xususan:
, (6)
qayerda n- yarimo'tkazgichning sinishi ko'rsatkichi; dan yorug'lik tezligidir.
Keyinchalik, biz spontan rekombinatsiyani hisobga olmaymiz, chunki Spontan rekombinatsiya tezligi ishlaydigan lazer muhitidagi foton oqimining zichligiga bog'liq emas va stimulyatsiya qilingan rekombinatsiya tezligi quyidagicha bo'ladi. katta qiymatlar R(hn 12) spontan rekombinatsiya tezligidan sezilarli darajada oshadi. Yorug'likning kuchayishi uchun majburiy "yuqoridan pastga" o'tish tezligi "pastdan yuqoriga" o'tish tezligidan oshishi kerak:
Elektronlar tomonidan energiya bilan darajalar populyatsiyasining ehtimolini yozgan e 1 Va e 2 sifatida
, (8)
yarimo'tkazgichlarda teskari populyatsiya holatini olamiz
chunki darajalar orasidagi minimal masofa e 1 Va e 2 faqat yarimo'tkazgichning tarmoqli bo'shlig'iga teng e g . Bu nisbat deb nomlanadi Bernard-Durafour nisbati.
Formula 9 deb atalmish qiymatlarni o'z ichiga oladi. kvazi-fermi darajalari- Fermi darajalari o'tkazuvchanlik zonasi uchun alohida F C va valentlik zonasi F V. Bunday holat faqat nomutanosiblik uchun, to'g'rirog'i, uchun mumkin kvazi muvozanat tizimlari. Ikkala ruxsat etilgan diapazonda (elektron bilan to'ldirilgan va bo'sh holatlarni ajratib turadigan darajalar (Kirishga qarang)) Fermi darajalarini shakllantirish uchun quyidagilar talab qilinadi: pulsning bo'shashish vaqti elektronlar va teshiklar bir necha darajali kattalikdagi edi kamroq hayot vaqti ortiqcha zaryad tashuvchilar:
Natijada muvozanatsizlik umuman olganda, elektron-teshik gazini birikma deb hisoblash mumkin muvozanat elektron o'tkazuvchanlik zonasidagi gaz va muvozanat teshigi valentlik zonasidagi gaz (2-rasm).


2-rasm. Teskari darajadagi populyatsiyaga ega yarimo'tkazgichning energiya diagrammasi. Elektronlar bilan to'ldirilgan holatlar soyalanadi.
Lazerning ish muhitida (bizning holatda, yarim o'tkazgich kristalida) teskari populyatsiyani yaratish tartibi deyiladi. nasos. Yarimo'tkazgichli lazerlarni tashqaridan yorug'lik, tez elektronlar nurlari, kuchli radiochastota maydoni yoki yarimo'tkazgichning o'zida zarba ionlash orqali pompalanishi mumkin. Lekin eng oddiy, iqtisodiy va shuning uchun eng keng tarqalgan yarimo'tkazgichli lazerlarni pompalash usuli hisoblanadi in'ektsiya zaryad tashuvchilar degenerativ p-n birikmasida("Fizika" uslubiy qo'llanmasiga qarang yarimo'tkazgichli qurilmalar”; tunnel diodi). Bunday nasosning printsipi 3-rasmda aniq ko'rsatilgan energiya diagrammasi termodinamik muvozanat holatida bunday o'tish va at katta oldinga siljish. Ko'rinib turibdiki, p-n o'tish joyiga to'g'ridan-to'g'ri qo'shni bo'lgan d mintaqasida teskari populyatsiya amalga oshiriladi - kvazi-Fermi darajalari orasidagi energiya masofasi tarmoqli bo'shlig'idan kattaroqdir.

3-rasm. degeneratsiya r-p o'tish termodinamik muvozanat holatida (chapda) va katta oldinga egilish bilan (o'ngda).
Biroq, ish muhitida teskari populyatsiyani yaratish zarur, Biroq shu bilan birga yetarli shart emas lazer nurlanishini hosil qilish uchun. Har qanday lazerda, xususan, yarimo'tkazgichli lazerda qurilmaga etkazib beriladigan nasos quvvatining bir qismi befoyda yo'qoladi. Va faqat nasos quvvati ma'lum bir qiymatdan oshib ketganda - avlod chegarasi, lazer kvant yorug'lik kuchaytirgichi sifatida ishlay boshlaydi. Generatsiya chegarasi oshib ketganda:
· lekin) keskin ortadi qurilma tomonidan chiqarilgan nurlanishning intensivligi (4a-rasm);
b) toraytiradi spektral chiziq radiatsiya (4b-rasm);
c) radiatsiyaga aylanadi izchil va yo'naltirilgan.

4-rasm. Oqim chegara qiymatidan oshib ketganda, intensivlikning oshishi (chapda) va yarimo'tkazgichli lazerning spektral nurlanish chizig'ining (o'ngda) torayishi.
Ishlab chiqarish uchun chegara shartlariga erishish uchun odatda lazerli ishlaydigan vosita joylashtiriladi optik rezonator. Bu optik yo'lning uzunligini oshiradi ish muhitida yorug'lik nuri, avlod chegarasiga erishishni osonlashtiradi, nurni yaxshiroq yo'naltirishga yordam beradi va hokazo. Yarimo'tkazgichli lazerlardagi optik bo'shliqlarning xilma-xil turlaridan eng oddiyi Fabry-Perot rezonatori- ikkita tekis-parallel oyna; perpendikulyar p-n o'tish. Bundan tashqari, yarimo'tkazgich kristalining jilolangan qirralari oyna sifatida ishlatiladi.
Bunday rezonator orqali elektromagnit to'lqinning o'tishini ko'rib chiqing. Rezonatorning chap oynasining o'tkazuvchanligini va aks ettirish koeffitsientini sifatida qabul qilaylik t1 Va r1, o'ng (radiatsiya u orqali chiqib ketadi) - orqada t2 Va r2; rezonator uzunligi - L. Elektromagnit to'lqin kristalning chap tomoniga tashqi tomondan tushsin, biz tenglamani quyidagi shaklda yozamiz:
. (11)
Chap oynadan o'tgandan so'ng, kristall va o'ng oyna, nurlanishning bir qismi kristallning o'ng yuzidan o'tadi va bir qismi aks ettiriladi va yana chap yuzga o'tadi (5-rasm).

5-rasm. Fabry-Perot rezonatoridagi elektromagnit to'lqin.
Rezonatordagi nurning keyingi yo'nalishi, chiquvchi va aks ettirilgan nurlarning amplitudalari rasmdan aniq ko'rinadi. Keling, chiqarilgan barcha elektromagnit to'lqinlarning amplitudalarini jamlaylik kristallning o'ng tomoni orqali: