книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.С. Постников
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЛАЗЕРНЫЕ И РЕГИСТРИРУЮЩИЕ СРЕДЫ
Курс лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
УДК 681.7.03:621.373.826(075.8) П63
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. В.С. Кирчанов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук, заместитель директора завода оптоволоконных компонентов И.И. Крюков
(АО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», г. Пермь)
Постников, В.С.
П63 Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды : курс лекций / В.С. Постников. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017. – 131 с.
ISBN 978-5-398-01930-8
Изложены физические основы механизмов возникновения вынужденного излучения, принципы создания активной среды для лазеров и приведены характеристики наиболее распространенных активных сред для современных лазеров. На основе рассмотрения механизмов взаимодействия излучения с веществом и процессов преобразования энергии излучения в иные виды энергии приведена классификация приемников оптического излучения, рассмотрены принципы работы и характеристики приемников оптического излучения различных видов.
Предназначено для обучения студентов направления 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика» для изучения дисциплины «Лазерные, нелинейные и регистрирующие среды».
УДК 681.7.03:621.373.826(075.8)
ISBN 978-5-398-01930-8 |
© ПНИПУ, 2017 |
2
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... |
6 |
1.1. История лазера ................................................................................................. |
7 |
1.2. Излучение квантовых систем.......................................................................... |
8 |
1.3. Кинетические уравнения............................................................................... |
11 |
1.3.1. Спонтанные переходы......................................................................... |
12 |
1.3.2. Вынужденные переходы с поглощением кванта энергии ............... |
12 |
1.3.3. Вынужденные переходы с излучением кванта энергии .................. |
13 |
Лекция 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.................. |
17 |
2.1. Инверсия населенностей............................................................................... |
17 |
2.2. Поглощение и усиление ................................................................................ |
22 |
2.3. Ширина линии................................................................................................ |
23 |
Лекция 3. СИСТЕМЫ С ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ......................................... |
27 |
3.1. Двухуровневая атомная система................................................................... |
27 |
3.2. Трехуровневая атомная система................................................................... |
28 |
3.3. Четырехуровневая атомная система............................................................. |
30 |
3.4. Способы возбуждения активных сред ......................................................... |
31 |
Лекция 4. СПОСОБЫ НАКАЧКИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ.................................... |
33 |
4.1. Оптическая накачка....................................................................................... |
33 |
4.1.1. Некогерентная оптическая накачка................................................... |
33 |
4.1.2. Когерентная оптическая накачка....................................................... |
35 |
4.2. Электрическая накачка.................................................................................. |
37 |
4.2.1. Накачка газовой среды........................................................................ |
37 |
4.2.2. Накачка полупроводниковой среды .................................................. |
39 |
4.3. Типы лазеров.................................................................................................. |
41 |
Лекция 5. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ................................................................................. |
42 |
5.1. Гелий-неоновый лазер................................................................................... |
43 |
5.2. Аргоновый лазер............................................................................................ |
46 |
5.3. СО2-лазер........................................................................................................ |
48 |
5.4. Эксимерные лазеры ....................................................................................... |
50 |
3 |
|
Лекция 6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.................................................. |
52 |
6.1. Основные характеристики полупроводниковых лазеров.......................... |
58 |
6.1.1. Спектральные характеристики излучения........................................ |
58 |
6.1.2. Пространственные характеристики .................................................. |
60 |
6.1.3. Эксплуатационные характеристики.................................................. |
61 |
6.1.4. Тепловые условия работы лазерного диода..................................... |
64 |
6.1.5. Материалы для лазерных диодов...................................................... |
64 |
6.2. Конструкция инжекционных лазерных диодов.......................................... |
66 |
6.2.1. Современные инжекционные лазеры................................................ |
67 |
6.2.2. Лазеры на двойной гетероструктуре................................................. |
67 |
6.2.3. Лазерные диоды с квантовыми ямами.............................................. |
68 |
6.2.4. Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием .................. |
69 |
6.2.5. Лазеры с распределенной обратной связью..................................... |
70 |
6.2.6. Поверхностно-излучающие лазеры................................................... |
71 |
6.3. Другие типы полупроводниковых лазеров................................................. |
72 |
6.3.1. Лазерные диоды с электронным возбуждением.............................. |
72 |
6.3.2. Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой...................... |
74 |
6.3.3. Полупроводниковые лазеры с прямым |
|
электрическим возбуждением ..................................................................... |
75 |
Лекция 7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ................................................................ |
76 |
7.1. Требования к активатору.............................................................................. |
77 |
7.2. Требования к матрицам ................................................................................ |
79 |
7.3. Рубиновый лазер............................................................................................ |
83 |
7.4. Сапфировый лазер......................................................................................... |
85 |
7.5. Неодимовые лазеры....................................................................................... |
86 |
7.6. Лазер на кристалле гадолиний-скандий-галлиевого граната |
|
Gd3Sc2Ga3O12:Nd3+,Cr3+ (GSGG).......................................................................... |
90 |
Лекция 8. ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ...................................................................... |
91 |
8.1. Основные схемы волоконных лазеров........................................................ |
93 |
8.2. Волоконный иттербиевый лазер.................................................................. |
95 |
8.3. Волоконный эрбиевый лазер........................................................................ |
97 |
8.4. Волоконный тулиевый лазер...................................................................... |
100 |
8.5. Волоконный лазер на фотонном кристалле.............................................. |
102 |
Лекция 9. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.............................. |
104 |
9.1. Тепловые приемники оптического излучения.......................................... |
104 |
9.1.1. Термоэлементы ................................................................................. |
105 |
9.1.2. Болометры ......................................................................................... |
106 |
4
9.1.3. Оптико-акустические приемники излучения.................................. |
109 |
9.1.4. Пироэлектрические приемники излучения..................................... |
111 |
9.1.5. Приемники излучения на основе термоупругого эффекта............ |
113 |
9.1.6. Пондеромоторные приемники излучения....................................... |
115 |
Лекция 10. ФОТОННЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ................................... |
118 |
10.1. Фотоприемники с внешним фотоэффектом............................................ |
118 |
10.1.1. Фотоэлементы.................................................................................. |
119 |
10.1.2. Фотоэлектронные умножители...................................................... |
120 |
10.2. Фотоприемники с внутренним фотоэффектом........................................ |
121 |
10.2.1. Фоторезистор................................................................................... |
123 |
10.2.2. Фотодиод.......................................................................................... |
124 |
10.2.3. p–i–n-фотодиоды ............................................................................. |
126 |
10.2.4. Лавинные фотодиоды...................................................................... |
127 |
10.2.5. Фототранзистор............................................................................... |
128 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................. |
130 |
5
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ
Лазер (LASER – аббревиатура английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света в результате вынужденного излучения) – устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:
Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей.
● высокой спектральной плотностью энергии;
● монохроматичностью; 
●высокой временной и пространственной когерентностью;
●высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;
●возможностью генерации очень коротких световых импульсов.
6
1.1. История лазера
Основы теории лазеров были заложены А. Эйнштейном в 1917 году введением понятия вынужденного излучения.
Р. Ладенбург и Х. Копферман в 1928 году экспериментально обнаружили вынужденное излучение.
В том же году Э. Парселл и Р. Паунд экспериментально обнаружили инверсии заселенностей.
Впервые предложения об усилении света за счет вынужденного излучения 1951–1955 гг. были высказаны В. Фабрикантом, Дж. Вебером, Н. Басовым и А. Прохоровым.
Ч. Таунс, Н. Басов и А. Прохоров в 1954 году разработали основные принципы создания квантовых генераторов, за что получили в 1964 году Нобелевскую премию.
На основе этих принципов Н. Басов, А. Прохоров; Ч. Таунс, В. Гордон; Дж. Цайгер, К. Шимода, Т. Ванг создали независимо друг от друга первый квантовый генератор (мазер) на молекулах аммиака, излучающий на частоте 24 ГГц.
Мазер – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление микроволн в результате вынужденного излучения.
Первый лазер, использующий видимый, свет был разработан в 1960 году Т. Мейманом.
В качестве лазерной среды использовался рубин (Al2O3:Cr), генерирующий красный луч интенсивного света.
В этом же году А. Джаван, В. Беннет, Д. Эрриот создали первый газовый лазер на смеси гелия с неоном, а М. Натан, В. Думке, Г. Бернс, Ф. Дил, Г. Лашер – первый полупроводниковый лазер.
В 1964 году К. Пател построил первые лазеры на газовой смеси CO2–N2–He.
В последующие 20 лет было разработано большинство основных типов лазеров в интервале от вакуумного ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона.
7
В 1990 году Л. Моллинар из компании Bellcore продемонстрировал возможность передачи сигнала по оптическому волокну без регенерации со скоростью 2,5 Гб/с на расстояние около 7500 км.
В системе Моллинара лазер работал в солитонном режиме и использовалось самоусиливающее волокно с добавками эрбия.
С этого момента можно отсчитывать историю волоконного лазера.
1.2. Излучение квантовых систем
Источником лазерного излучения может быть только квантовая система, то есть изолированные атомы или группы атомов, объединенные в молекулы или кристаллическую решетку.
Для возникновения излучения часть атомов квантовой системы должна находиться в возбужденном состоянии.
Возбуждение атомов осуществляется разными способами – облучением светом, электрическим разрядом и т.д.
В возбужденном состоянии энергия атома имеет более высокое значение W2 по сравнению с энергией W1 основного состояния.
Электромагнитное излучение возникает при переходе атомов из возбужденного состояния в основное (или менее возбужденное).
спонтанный, при котором возникает тепловое излучение;
Возможно два вида такого перехода: 
вынужденный – основа возникновения лазерного излучения.
8
Спонтанное излучение |
Вынужденное излучение |
Безызлучательный переход
Спонтанное и вынужденное излучение существенно отличаются друг от друга.
В случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну, фаза которой не имеет определенной связи с фазой волны, излученной другим атомом.
В случае вынужденного излучения излучение любого атома добавляется к падающей волне в той же фазе и распространяется в направлении падающей волны.
Испущенная волна может иметь любое направление распространения.
При спонтанном переходе частота v испускаемого фотона может отличаться от v21 в некоторых пределах vл, так как в реальной квантовой системе энергетические уровни не строго дискретны, а занимают некоторые интервалы энергии W2 и W1.
Контур спектральной линии спонтанного излучения описывается плавной кривой S (v, v21), а направление распространения излучения и фаза произвольны.
При вынужденном (индуцированном) переходе испускаемые кванты не отличимы от внешних квантов, воздействующих на систему.
9
Индуцированное излучение монохроматично (имеет ту же частоту v', что и внешний квант) и по направлению распространения, фазе и поляризации совпадает с характеристиками внешнего кванта.
Высокая степень концентрации световой энергии в очень узком телесном угле и малом спектральном интервале, то есть высокая направленность и монохроматичность излучения являются основной характерной чертой лазеров и существенно отличают их от обычных источников света.
|
|
|
|
|
|
Уникальной является способность |
лазеров концентрировать большую энергию |
|
|
в чрезвычайно малых отрезках времени. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, можно отметить |
следующие основные различия когерентного |
|
|
и некогерентного излучений: |
|
Обычное излучение |
Лазерное излучение |
|
|
Энергия излучения распределяется |
Все излучение монохроматическое |
в широком спектральном интервале, |
и фазно связанное. |
поэтому невозможно выделение мощ- |
|
ного монохроматического пучка света. |
|
Энергия излучается равномерно во |
Излучение может быть сконцен- |
всех направлениях, и концентрация ее |
трировано оптическими системами |
невозможна без потерь; поэтому |
в пятно, яркость которого больше |
яркость освещенного пятна не мо- |
яркости источника. |
жет быть больше яркости |
|
источника. |
|
При преобразовании излучения в плос- |
Дифракционные потери очень малы. |
кую волну происходят большие дифрак- |
Излучение может быть направлено |
ционные потери. |
на очень удаленные объекты. |
10