Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Такое излучение имеет рад весьма важных особенностей. Во-первых, очень малая расходимость лазерного излучения. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5х10^-5 см, то угол расходимости составляет всего лишь 5х10^-5 рад, или 0,003°. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 0,5 мкм (для видимого света). При этом угол расходимости уменьшается до 10^-7 рад. Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверхности круг диаметром 30 м.

Во-вторых, лазерное излучение обладает высокой монохромотичностью, т. е. практически излучение имеет одну единственную частоту и соответствующую ей одну единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Но все же при лазерном излучении наблюдаются флюктуации частоты, за счет того, что некоторая очень небольшая часть атомов дает спонтанное излучение, некогерентное с основным излучением. Поэтому лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10^-3 Гц.

Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения от сколь угодно длительного до сверхкоротких (всего лишь 10^-14-10^-15 с) импульсных вспышек. Импульсы света такой малой длительности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей. Это соответствует мощности, во много раз большей, чем у крупнейших электростанций. Например, если энергия импульса 10³ Дж, а его длительность 10^-13 с, то мощность равна 10³ Дж/10^-13 с=10¹⁶ Вт=10¹⁰ МВт. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких температур. Интенсивность сфокусированного лазерного пучка может быть 10²⁰ Вт/см² и более, и при этом напряженность электрического поля в луче достигает 10¹¹ В/см. Под действием такого сильного поля у многих из веществ происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы.

Более подробно с этим материалом можно познакомиться на сайте naf-st.narod.ru.

В волоконно-оптических системах связи в настоящее время применяют полупроводниковые лазеры (ПЛ). будем облучать полупроводник светом такой частоты, чтобы энергия фотона была не меньше ширины запрещенной зоны. Электрон, поглощая эту энергию совершает квантовый переход из валентной зоны в зону проводимости. Практически с такой же вероятностью фотон может инициировать встречный процесс – переход в валентную зону электрона, находящегося в зоне проводимости, вблизи ее нижнего края. В результате такого перехода родится еще один, вторичный фотон (рис. 17).

Рис. 17. Индуцированное излучение в беспримесном полупроводнике.

Итак, при облучении может возникнуть поглощение света и вынужденное (индуцированное) испускание света.

Возможно также самопроизвольное возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону. Возникает спонтанное излучение, имеющее место в светодиодах.

Если на кристалл воздействует тепловая энергия окружающей среды, количество электронов на дне зоны проводимости гораздо меньше, чем у потолка валентной зоны. В этом случае поглощение света будет преобладать над излучением и лазера не получится. Для того, чтобы полупроводник мог усиливать излучение, надо создать инверсию, т. е. сделать так, чтобы концентрация электронов вблизи нижнего края зоны проводимости была больше концентрации электронов вблизи верхнего края валентной зоны. В этом случае испускание света будет преобладать над процессами поглощения. Необходимо создать состояние инверсной населенности.

Внесение примесей в кристалл существенно изменяет его свойства. Именно это и используется в инжекционных лазерах. При прямых напряжениях на p-n переходе именно в нем возникает состояние инверсной населенности и становится возможным индуцированное излучение.

Л азерная генерация в кристалле возможна только при наличии оптического резонатора, который обеспечивает положительную оптическую связь, рис. 18.

Рис. 18. Положительная оптическая связь.

Простейшим является рассмотренный выше интерферометром Фабри-Перро, зеркалами которого будут грани кристалла. В такой конструкции начальный фотон (см. рис. 17), распространяясь по кристаллу, вызывает переход электронов в валентную зону. Задерживаясь зеркалами, фотоны вновь стимулируют излучение.

Прямой ток, при котором начинается лазерная генерация (пороговый ток) должен быть по возможности мал, иначе кристалл разрушится от перегрева. Его уменьшение можно достичь за счет оптического усиления и удержания носителей зарядов в активной зоне.

Условия эффективной работы полупроводникового лазера следующие.

1. Активная зона для носителей тока определяется их пробегом до рекомбинации (диффузионной длинной). Если на расстоянии меньшем диффузионной длинны, создать потенциальный барьер для носителей, активная зона уменьшится, носители тока задерживаются в ней и мощность излучения растет. Все это реализуется в гетеро переходах, входящих в структуру лазера.

2. Чем дольше фотон находится в активной зоне, тем больше коэффициент оптического усиления. Применение гетероконтактов создает оптически неоднородные среды с различными показателями преломления. С позиции движения фотонов это создает направленное их движение за счет отражения. Фотоны удерживаются в активной зоне.

Итак, в структуре полупроводникового лазера должны быть гетероконтакты и тогда его работа будет эффективна при небольшом токе и малых размерах, рис. 19.

Рис. 19. структура лазера с гетеропереходами

Основные характеристики лазера следующие.

1. Пороговый ток, прямой ток при котором начинается индуцированное излучение (50-500 мА).

2. Мощность излучения.

3. Модуляционная характеристика. Мощность излучения можно менять током накачки, прямым током p-n перехода, рис 20.

Рис. 20. Модуляционная характеристика.

1. светодиодный режим, 2- лазерный режим.

4. Диаграмма направленности излучения, дает представление об интенсивности излучения в различных направлениях. характеризуется телесным углом.

5. Спектр излучения определяется полупроводниковым материалом и размерами резонатора. Дело в том, что в оптическом резонаторе могут существовать только такие волны, для которых длина пробега равна целому числу длин волн. Размеры резонатора определяют как спектральный состав, так и полосу излучения лазера. При больших размерах лазер может генерировать до 10-20 волн (мод) при центральной волне 0.8 мкм и 5, 6 мод при 1.3 мкм. Такое излучение называется многомодовым, если размеры резонатора малы, генерируется одна центральная мода, рис. 21.

Рис. 21. Спектральные характеристики лазеров

1. – многомодовый, 2) – одномодовый.

6. Надежность (порядка 50000ч.) и диапазон температур.

Светдиоды и ПП лазеры применяются в оптических линиях связи.