Рубиновые лазеры

Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  образования «Белорусский государственный  университет информатики и радиоэлектроники» 
 

Факультет : заочного вечернего и дистанционного образования

Кафедра: Электроники

Дисциплина: Приборы  на кантовых, оптических и магнитных  эффектах 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

Тема: 1. Рубиновые лазеры; 2. PIN фотодиод. 
 
 
 

Студент: 3 курса  гр. 900301 Трусов Александр

Руководитель: Смирнов А.Г. 
 
 
 
 

Обратный адрес: 231753 Гродненская обл. и р-н, а.г. Озеры, ул. Лесная - 14

Минск 2012

Введение

    B последние  годы внедрение лазерной техники  во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях– физических, химических, биологических.

    B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование лазеровв различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной. Ряд образцов лазерной техники – дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения – поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излучения используется лазер.

    В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества.

    В 1960 году под руководством американского  ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.

    В 1962 году практически одновременно в  России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент. Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании. Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных условиях.

    В последнее время получила распространение  еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем.

    Значительный  эффект получен и при использовании  лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза. Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей. Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме. В пищевой промышленности исследуются возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов.

    Даже  такие работы, как предварительная  обработка режущего инструмента  и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств. Огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Рубиновый лазер.

    Рубиновый лазер был первым квантовым генератором  оптического диапазона. Его активный элемент был изготовлен из кристалла  розового рубина (А12Оэ : Сгэ ) с содержанием хрома около 0,05%. Красный цвет кристаллов рубина определяется как раз наличием широких полос поглощения в синей и зеленой областях спектра. С увеличением концентрации хрома цвет кристалла меняется от бледно-розового ( 0,05% Сг3 ) до темно-красного ( 1% Сг3 ).

      Помимо этих полос, в рубине  имеется еще широкая полоса  собственного поглощения в ультрафиолетовой  области при А 0,25 мкм, однако квантовый выход люминесценции для нее невелик. Квантовый выход люминесценции рубина при комнатной температуре составляет 65...70%, а при низких температурах он близок к 100%. Показатель поглощения в U- и Г-полосах накачки составляет 2..А см при оптимальном содержании ионов Сг3.

      Поэтому диаметр активного рубинового  элемента не должен превышать  2 см. Обычно применяют стержни  диаметром около 1 см и длиной  около 10 см. Как правило, выращивают  кристаллы, оптическая ось с  которых составляет угол 90 или  60° с осью стержня. Излучение такого кристалла и соответственно лазерное излучение линейно поляризованы с вектором Е, перпендикулярным плоскости, проходящей через ось с и ось стержня.

      Пороговое значение объемной плотности энергии накачки в зеленой ( -полосе рубинового лазера примерно равно 3 Дж см, При значительном превышении порога в режиме свободной генерации удельный съем энергии составляет 0,2...0,25 Дж см, а показатель усиления около 0,2 см. Основной его недостаток большие пороговые энергии накачки, что обусловлено трехуровневой схемой работы и низким КПД. Лазеры на кристаллах и стеклах, активированных неодимом.

      Основные недостатки рубинового  лазера связаны с трехуровневым  механизмом его работы, что обусловлено  особенностями трехвалентного иона  хрома. Более удачными в этом  отношении оказались ионы редкоземельных  элементов, строение энергетических  уровней которых позволяет осуществить  работу по четырех уровневой  схеме. Незаполненная 4 -оболочка  редкоземельных элементов расположена  ближе к ядру, чем оболочка  элементов группы железа, и хорошо  экранирована от внешних полей  электронами. Поэтому здесь наблюдается  случай слабого кристаллического  поля.

      Для всех редкоземельных ионов  характерно наличие узких линий  люминесценции на переходах между  состояниями оболочки 4 и интенсивных  полос поглощения на переходах  4f- 5d, используемых для накачки.  Энергетическое положение уровней  слабо зависит от типа матрицы.  Из всех 14 редкоземельных элементов  наилучшие результаты получены  на трехвалентном ионе неодима  Nd. Этот ион обладает оптимальным набором параметров энергетических уровней, наилучшим образом удовлетворяющим требованиям, предъявляемым четырехуровневой схемой работы лазера.

    Основные  полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм. Последняя полоса очень  удобна для накачки полупроводниковыми лазерами и светодиодами на основе арсенида галлия. Наиболее сильным  является переход в области 1,06 мкм. Обычно на этом переходе и осуществляется генерация. В то же время расстояние между ними существенно больше что обеспечивает эффективное опустошение нижнего рабочего уровня и определяет четырехуровневый характер генерации неодимового лазера.

      Верхний лазерный уровень расщеплен  на два подуровня, а нижний  уровень на шесть подуровней. Поэтому полоса люминесценции  1,06 мкм имеет сложную структуру.  Аналогичная ситуация наблюдается  и для линий излучения в  области 1,3 и 0,9 мкм. Это оказывается  возможным благодаря низким пороговым  энергиям накачки, высокой теплопроводности  ИАГ и малым оптическим потерям.  Лазер с ламповой накачкой  конструктивно выполняется в  соответствии со схемой.

      Однако, отсутствие широких полос  поглощения в кристаллах, активированных  элементами с 4 незаполненной  оболочкой, делает такую накачку  малоэффективной. Лазер может  быть выполнен в едином блоке  с нелинейными элементами преобразователями частоты, генерируя излучение на второй, третьей и даже четвертой гармониках в области длин волн 6,53; 0,3? и 0,265 мкм при выходной мощности от нескольких мВт до единиц Вт.

      Кроме основной линии излучения  1,0648 мкм, обусловленной переходами  возможно получение лазерного  эффекта на переходах в области  1,319 мкм и на перехода в области 0,946 мкм. Однако пороговые энергии накачки для этих переходов существенно выше. Заметная разница в величинах ионных радиусов Nd иУ затрудняет получение кристаллов больших размеров с равномерным распределением активатора. Землями, относится отсутствие широких полос поглощения. Для этого в кристаллическую матрицу основы наряду с активными ионами добавляют ионы другого вида, называемые сенсибилизаторами.

    Их  роль заключается в поглощении энергии  возбуждения в широком спектральном диапазоне и передаче ее основным рабочим ионам. Добавление сенсибилизатора  приводит к расширению эффективной  полосы накачки и к повышению  эффективности лазера. Во всех случаях  передача энергии от сенсибилизатора  к активатору будет наиболее эффективна при совпадении (резонансе) соответствующих  энергетических состояний.

      Сенсибилизаторами могут служить  не только один или несколько  ионов, специально вводимых в матриц, но и ионы, входящие в состав основного вещества. Наряду с кристаллическими матрицами в лазерной технике широко используются активные среды на стеклянной основе с примесью редкоземельных элементов. К преимуществам стекол как лазерных активных материалов относятся: высокая оптическая однородность, тех-; во логичность и возможность изготовления активных элементов больших размеров, возможность введения активатора в необходимых концентрациях с равномерным его распределением по объему.

      В то же время стекла, как  активные материалы твердотельных  лазеров, обладают двумя существенными  недостатками: низкой теплопроводностью  и высоким температурным коэффициентом  линейного расширения и ограниченной  областью оптической прозрачности (0,33...2,5 мкм), которая при введении  примесей может еще более сужаться. Сравнение свойств кристаллических и аморфных матриц показывает, что эти материалы дополняют друг друга и, следовательно, одинаково важны для лазерной техники.

      Неоднородность окружения иона-активатора  в стеклах вызывает неоднородность  локальных электростатических полей,  воздействующих на этот ион.  Это приводит к сильному неоднородному  уширению спектральных линий как в люминесценции, так и в поглощении. Уширение линий поглощения и люминесценции элементов с З -незаполненными оболочками в стеклах настолько велико, что они перекрываются друг с другом. Для редкоземельных элементов с оболочкой это уширение значительно слабее я составляет примерно 0,03 эВ.

2. Pin – фотодиод.

    В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

    Рассмотрим  принцип работы pin фотодиода.

      Допустим, что у нашего pin фотодиода слаболегированный i-слой находится между сильно легированными слоями n+ и p+. Также i-слой является обедненным слоем, т.к. нет свободных носителей заряда. Тогда на pin - переход будем подавать напряжение с обратным смещением. Сильно легированные слои станут проводящими. А слаболегированный слой, т.к. там нет носителей заряда, будет испытывать только поляризацию.

    PIN фотодиод является неэффективным, если световое излучение падает на сильно легированные слои n+ и p+. При этом будет возникать диффузионный ток, который из-за большей инерционности ухудшает эффективность.

          По этой причине слои  n+ и p+ нужно делать как можно тоньше, а i-слой обедненный слой - как можно больше, чтобы он поглощал все падающие лучи.

         Электрический ток будет течь, пока будут образовываться электронно - дырочные пары, т.е. пока будет падать световое излучение.

          PIN фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Для различных материалов различна длина волны светового излучения, в которых достигается максимальный эффект фотодиода.