Напівпровідниковий лазер
Роботу виконує Котляр Анна
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
Якщо з'єднати разом дві пластини з напівпровідників різних типів, то посередині утворюється перехідна зона. Атоми речовини, що знаходяться в ній, здатні збуджуватися при проходженні електричного струму поперек зони і генерувати світло. Дзеркалами, необхідними для отримання лазерного випромінювання, можуть служити поліровані і посріблені грані самого кристала напівпровідника. Серед цих лазерів кращим вважається лазер на основі арсеніду галію - з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його інфрачервоне випромінювання має потужність до десяти ват. Якщо цей лазер охолодити до температури рідкого азоту (-200 °), потужність його випромінювання можна збільшити в десять разів. Це означає, що при площі випромінюючого шару в 1 см2 потужність випромінювання досягла б мільйони ват. Але напівпровідник з перехідним шаром такого розміру виготовити поки неможливо з технічних причин. Можна порушувати атоми напівпровідника пучком електронів (як в твердотільних лазерах - лампою-спалахом). Електрони проникають глибоко всередину речовини, збуджуючи більшу кількість атомів; ширина випромінюючої зони виявляється в сотні разів ширша, ніж при порушенні електричним струмом. Тому потужність випромінювання таких лазерів з електронним накачуванням досягає вже двох кіловат. Малі розміри напівпровідникових лазерів роблять їх дуже зручними для застосування там, де потрібен мініатюрний джерело світла великої потужності.
Історична довідка
Лазери – це джерела когерентного оптичного випромінювання, принцип дії яких грунтується на використанні явища індукованого випромінювання. Слово «лазер» є абревіатуру англійської фрази «Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation», перекладної посилення світла результаті вимушеного випромінювання. Гіпотеза про існування вимушеного (індукованого) випромінювання пролунала в 1917 р. А. Ейнштейном.
У 1940 р. професор Московського енергетичного інституту У. А.Фабрикант сформулював умови, і під час яких можна знайти індуковане випромінювання, а 1951 р. він разом із М. М.Вудинським і Ф. А.Бутаєвой отримав авторське свідчення на засіб посилення електромагнітного випромінювання. Пристрій, котре генерує електромагнітні коливання з урахуванням використання явища індукованого випромінювання в діапазоні, було створене 1953—1954 рр. М. Р.Басовим й О. М.Прохоровим у СРСР і групою Ч.Таунса США.
У 1955 р. М. Р. Басов й О. М. Прохоров обгрунтували застосування методу оптичної накачування до створення инверсной заселенности рівнів.
У 1957 р. М. Р. Басов висунув ідею використання напівпровідників до створення квантових генераторів; цьому він запропонував використовувати як резонатора спеціально оброблені поверхні самого зразка. У тому ж року У. А. Фабрикант і Ф. А. Бутаєва спостерігали ефект оптичного квантового посилення в дослідах з електричним розрядом в суміші парів ртуті і нових невеликих кількостях водню і гелію.
У 1958 р. А. М. Прохоров навіть від нього американський фізик Ч. Таунс теоретично обгрунтували можливість застосування явища вимушеного випущення в оптичному діапазоні; він висунули ідею про застосування в оптичному діапазоні не об'ємних, а відкритих резонаторів. Зауважимо, що конструктивно відкритий резонатор відрізняється від об'ємного тим, що зібрано бічні проводять стінки і лінійні розміри резонатора обрані великими проти довгою хвилі випромінювання.
Технічні характеристики
Пристрій напівпровідникового лазера являє собою лазерний діод, накачується енергією електронів і дірок у зоні р-n-переходу – місці зіткнення з провідністю напівпровідників p – і n-типу. Крім того, існують напівпровідникові лазери з оптичним підведенням енергії, в яких пучок формується при поглинанні фотонів світла, а також квантові каскадні лазери, робота яких заснована на переходах всередині зон.
Сфера застосування
Потужні діодні лазери з високоефективною електричної накачуванням при помірних напругах використовуються в якості засобів підведення енергії високоефективних твердотільних лазерів.
Напівпровідникові лазери можуть працювати у великому діапазоні частот, який включає видиму, ближню інфрачервону і середню інфрачервону частину спектру. Створено пристрої, що дозволяють змінювати частоту издучения.
Лазерні діоди можуть швидко перемикати і модулювати оптичну потужність, що знаходить застосування в передавачах оптоволоконних ліній зв’язку.
Такі характеристики зробили напівпровідникові лазери технологічно найбільш важливим типом квантових генераторів. Вони застосовуються:
- у датчиках телеметрії, пирометрах, оптичних высотомерах, дальномерах, прицілах, голографії;
- в оптоволоконних системах оптичної передачі і зберігання даних, системах когерентної зв’язку;
- у лазерних принтерах, видеопроекторах, покажчиках, сканерах штрих-коду, сканерах зображень, програвачах компакт-дисків (DVD, CD, Blu-Ray);
- у охоронних системах, квантової криптографії, автоматиці, індикаторах;
- в оптичній метрології та спектроскопії;
- у хірургії, стоматології, косметології, терапії;
- для очищення води, обробки матеріалів, накачування твердотільних лазерів, контролю хімічних реакцій, промислової сортування, промисловому машинобудуванні, системи запалювання.
Фото, відео-матеріали
Список використаних джерел
- Звелто О. Принципы лазеров 1990 р.
- Борейшо А.С. Лазеры - устройство и действие 1992 р.
- Хьюстис Д.Л. Газовые лазеры 1989 р.
- http://www.studfiles.ru/preview/5259448/page:17/
- Н.Н.Соболева Газовые лазери Москва “Світ” 1968 р.
- Донина М.М. Виникнення квантової електроніки. М.: Наука, 1974.
- Брюннер У., Юнзі До. Довідник по лазерної техніці. / Під ред. О.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.
- http://faqukrs.xyz/osvita/nauka/112166-lazeri-napivprovidnikovi-vidi-pristrij-princip.html
- http://bourabai.ru/physics/2979.html
