ნახევარგამტარული საინექციო ლაზერი. კურსის სამუშაო ნახევარგამტარული ლაზერი ნახევარგამტარული ლაზერის გაანგარიშება და დიზაინი

იცოდი რა არის სააზროვნო ექსპერიმენტი, გედანკენის ექსპერიმენტი?
ეს არის არარსებული პრაქტიკა, ამქვეყნიური გამოცდილება, იმის წარმოსახვა, რაც რეალურად არ არსებობს. აზროვნების ექსპერიმენტები გაღვიძებულ სიზმრებს ჰგავს. ისინი შობენ მონსტრებს. ფიზიკური ექსპერიმენტისგან განსხვავებით, რომელიც ჰიპოთეზების ექსპერიმენტული ტესტია, „აზროვნების ექსპერიმენტი“ მაგიურად ცვლის ექსპერიმენტულ ტესტირებას სასურველი დასკვნებით, რომლებიც არ არის გამოცდილი პრაქტიკაში, მანიპულირებს ლოგიკურ კონსტრუქციებს, რომლებიც ფაქტობრივად არღვევენ თავად ლოგიკას. არის ჩანაცვლებით. ამრიგად, „აზრობრივი ექსპერიმენტების“ განმცხადებლების მთავარი ამოცანაა მსმენელის ან მკითხველის მოტყუება რეალური ფიზიკური ექსპერიმენტის „თოჯინით“ ჩანაცვლებით - ფიქტიური მსჯელობა პირობით ვადაზე ადრე ფიზიკური გადამოწმების გარეშე.
ფიზიკის შევსება წარმოსახვითი, „აზრობრივი ექსპერიმენტებით“ გამოიწვია სამყაროს აბსურდული, სიურეალისტური, დაბნეული სურათის გაჩენამდე. ნამდვილმა მკვლევარმა უნდა განასხვავოს ასეთი „კანფეტების შეფუთვა“ რეალური ღირებულებებისგან.

რელატივისტები და პოზიტივისტები ამტკიცებენ, რომ „აზროვნების ექსპერიმენტები“ ძალიან სასარგებლო ინსტრუმენტია თეორიების შესამოწმებლად (ასევე ჩვენს გონებაში) თანმიმდევრულობისთვის. ამით ისინი ატყუებენ ხალხს, რადგან ნებისმიერი გადამოწმება შეიძლება განხორციელდეს მხოლოდ გადამოწმების ობიექტისგან დამოუკიდებელი წყაროს მიერ. ჰიპოთეზის განმცხადებელი თავად არ შეიძლება იყოს საკუთარი განცხადების ტესტი, რადგან თავად ამ განცხადების მიზეზი არის განმცხადებლისთვის თვალსაჩინო განცხადებაში წინააღმდეგობების არარსებობა.

ამას ვხედავთ SRT-ისა და GTR-ის მაგალითში, რომლებიც გადაიქცნენ ერთგვარ რელიგიად, რომელიც აკონტროლებს მეცნიერებას და საზოგადოებრივ აზრს. ვერცერთი ფაქტი, რომელიც მათ ეწინააღმდეგება, ვერ გადალახავს აინშტაინის ფორმულას: „თუ ფაქტი არ შეესაბამება თეორიას, შეცვალე ფაქტი“ (სხვა ვერსიით, „ფაქტი არ შეესაბამება თეორიას? - მით უარესი ფაქტისთვის. ”).

მაქსიმუმი, რისი მტკიცებაც „აზროვნების ექსპერიმენტს“ შეუძლია, არის მხოლოდ ჰიპოთეზის შიდა თანმიმდევრულობა განმცხადებლის საკუთარი, ხშირად არავითარ შემთხვევაში არ არის ჭეშმარიტი, ლოგიკის ფარგლებში. ეს არ ამოწმებს პრაქტიკასთან შესაბამისობას. რეალური გადამოწმება შეიძლება მოხდეს მხოლოდ რეალურ ფიზიკურ ექსპერიმენტში.

ექსპერიმენტი არის ექსპერიმენტი, რადგან ის არ არის აზრის დახვეწა, არამედ აზრის გამოცდა. აზრი, რომელიც თავისთავად თანმიმდევრულია, ვერ გადაამოწმებს თავის თავს. ეს დაამტკიცა კურტ გოდელმა.

რუსეთის განათლებისა და მეცნიერების სამინისტრო

ავტონომიური სახელმწიფო საბიუჯეტო საგანმანათლებლო დაწესებულება

უმაღლესი პროფესიული განათლება

„სანქტ-პეტერბურგის სახელმწიფო ელექტროტექნიკური უნივერსიტეტი

"LETI"-ს სახელობის. ვ.ი. ულიანოვი (ლენინი)"

(SPbGETU)

ელექტრონიკის ფაკულტეტი

განყოფილება მიკრო და ნანოელექტრონიკა

ნახევარგამტარული ოპტოელექტრონული მოწყობილობები

კურსი

ნახევარგამტარული ჰეტეროლაზერის შემუშავება მესამე თაობის ოპტიკურ ბოჭკოვან კავშირებში გამოსაყენებლად.

დასრულებული

სტუდენტი გრ. No. 0282 შემოწმებულია:ტარასოვი ს.ა.

სტეპანოვი ე.მ.

სანქტ-პეტერბურგი

2015 წელი

შესავალი 3

III თაობა 4

2 გაანგარიშება ნაწილი 8

2.1 სტრუქტურის შერჩევა და მისი პარამეტრების გამოთვლა 8

2.2 DFB რეზონატორის გაანგარიშება 11

2.3 შიდა კვანტური გამოსავლის გამოთვლა 11

2.4 ოპტიკური შეზღუდვის გაანგარიშება 12

2.5 ზღვრული დენის გაანგარიშება 12

2.6 ვატ-ამპერი მახასიათებლების გაანგარიშება 13

2.7 რეზონატორის პარამეტრების გამოთვლა 14

2.8 სხვა ფენების შერჩევა 14

3 კრისტალური სტრუქტურა 16

დასკვნა 19

გამოყენებული წყაროების სია 21

შესავალი

მიზანშეწონილია გამოიყენოთ ლაზერული დიოდები, რომლებიც დაფუძნებულია ნახევარგამტარების მყარ ხსნარებზე, როგორც გამოსხივების წყარო ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზებისთვის. ეს ნაშრომი წარმოადგენს ნახევარგამტარული ლაზერული სტრუქტურის გაანგარიშების ვარიანტს, რომელიც დაფუძნებულია მესამე და მეხუთე ჯგუფების კავშირებზე ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზებისთვის. III თაობა.

1 ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზი III თაობა.

ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზი (FOCL)ეს არის სისტემა, რომელიც იძლევა ინფორმაციის გადაცემის საშუალებას. ასეთ სისტემაში ინფორმაციის მატარებელია ფოტონი. ის სინათლის სიჩქარით მოძრაობს, რაც ინფორმაციის გადაცემის სიჩქარის გაზრდის წინაპირობაა. ასეთი სისტემის ძირითადი კომპონენტებია გადამცემი, ოპტიკური ბოჭკო, მიმღები, განმეორებითი (R) და გამაძლიერებელი (U) (ნახ. 1).

ნახაზი 1 ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზის ბლოკ-სქემა.

ასევე აუცილებელი ელემენტებია კოდირების მოწყობილობა (CU) და დეკოდირების მოწყობილობა (DCU). გადამცემი, ზოგადად, შედგება გამოსხივების წყაროსგან (IS) და მოდულატორისგან (M). ინფორმაციის გადაცემის სხვა მეთოდებთან შედარებით, ოპტიკური ბოჭკოვანი ხელსაყრელია, პირველ რიგში, დაბალი დანაკარგების გამო, რაც შესაძლებელს ხდის ინფორმაციის გადაცემას დიდ დისტანციებზე. მეორე ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრი არის მაღალი გამტარუნარიანობა. ანუ, ყველა სხვა თანაბარი იყოს, ერთ ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კაბელს შეუძლია გადასცეს იგივე რაოდენობის ინფორმაცია, როგორც, მაგალითად, ათი ელექტრო კაბელი. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი წერტილი არის რამდენიმე ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ხაზის ერთ კაბელში გაერთიანების შესაძლებლობა და ეს არ იმოქმედებს ხმაურის იმუნიტეტზე, რაც პრობლემურია ელექტრო ხაზებისთვის.

გადამცემები შექმნილია იმისთვის, რომ ორიგინალური სიგნალი, ჩვეულებრივ, ელექტრული ფორმით, ელექტრომაგნიტურ ტალღად გარდაქმნას ოპტიკურ დიაპაზონში. დიოდები, ლაზერული დიოდები და ლაზერები შეიძლება გამოყენებულ იქნას გადამცემად. პირველი თაობის გადამცემები მოიცავს შუქის გამოსხივების დიოდს, რომელიც მუშაობს ტალღის სიგრძეზე 0,85 მიკრონი. მეორე თაობის გადამცემები მუშაობს ტალღის სიგრძეზე 1,3 მიკრონი. მესამე თაობის გადამცემები განხორციელდა ლაზერული დიოდების გამოყენებით 1,55 მიკრონი ტალღის სიგრძით 1982 წელს. ლაზერის გადამცემად გამოყენებას რამდენიმე უპირატესობა აქვს. განსაკუთრებით იმის გამო, რომ ემისია სტიმულირდება, სიმძლავრე იზრდება. ასევე, მიმართულია ლაზერული გამოსხივება, რაც ზრდის ოპტიკურ ბოჭკოებში ურთიერთქმედების ეფექტურობას. და ვიწრო სპექტრული ხაზის სიგანე ამცირებს ფერის დისპერსიას და ზრდის გადაცემის სიჩქარეს. თუ თქვენ შექმნით ლაზერს, რომელიც სტაბილურად მუშაობს ერთი გრძივი რეჟიმში ყოველი პულსის დროს, შეგიძლიათ გაზარდოთ ინფორმაციის გამტარუნარიანობა. ამის მისაღწევად შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლაზერული სტრუქტურები განაწილებული უკუკავშირით.

ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კავშირის შემდეგი ელემენტია ოპტიკური ბოჭკოვანი. სინათლის გავლა ოპტიკურ ბოჭკოში უზრუნველყოფილია მთლიანი შიდა ასახვის ეფექტით. და შესაბამისად, იგი შედგება ცენტრალური ნაწილის ბირთვისა და მასალისგან დამზადებული ჭურვისაგან, რომელსაც აქვს დაბალი ოპტიკური სიმკვრივე. ტალღების ტიპების რაოდენობის მიხედვით, რომლებსაც შეუძლიათ ოპტიკურ ბოჭკოში გავრცელება, ისინი იყოფა მრავალმოდურ და ერთრეჟიმად. ერთრეჟიმიან ბოჭკოებს აქვთ უკეთესი შესუსტების და გამტარუნარიანობის მახასიათებლები. მაგრამ მათი ნაკლოვანებები დაკავშირებულია იმ ფაქტთან, რომ ერთჯერადი რეჟიმის ხაზების დიამეტრი რამდენიმე მიკრომეტრის წესრიგშია. ეს ართულებს რადიაციის ინექციას და შერწყმას. მულტიმოდური ბირთვის დიამეტრი ათობით მიკრომეტრია, მაგრამ მათი გამტარუნარიანობა გარკვეულწილად მცირეა და ისინი არ არის შესაფერისი დიდ დისტანციებზე გავრცელებისთვის.

როდესაც სინათლე მოძრაობს ბოჭკოში, ის სუსტდება. მოწყობილობები, როგორიცაა გამეორებები (ნახ. 2 ა) გარდაქმნის ოპტიკურ სიგნალს ელექტრულ სიგნალად და გადამცემის გამოყენებით აგზავნის მას ხაზის გასწვრივ უფრო დიდი ინტენსივობით.

ნახაზი 2 მოწყობილობების სქემატური წარმოდგენა ა) რეპეტიტორი და ბ) გამაძლიერებელი.

გამაძლიერებლები აკეთებენ იგივეს, იმ განსხვავებით, რომ ისინი უშუალოდ აძლიერებენ ოპტიკურ სიგნალს. რეპეტიტორებისგან განსხვავებით, ისინი არ ასწორებენ სიგნალს, არამედ მხოლოდ აძლიერებენ როგორც სიგნალს, ასევე ხმაურს. მას შემდეგ, რაც სინათლე ბოჭკოში გაივლის, ის კვლავ გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად. ამას აკეთებს მიმღები. ეს ჩვეულებრივ არის ნახევარგამტარული ფოტოდიოდი.

ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ხაზების დადებითი ასპექტები მოიცავს დაბალი სიგნალის შესუსტებას, ფართო გამტარობას და ხმაურის მაღალ იმუნიტეტს. იმის გამო, რომ ბოჭკო დამზადებულია დიელექტრიკული მასალისგან, ის იმუნურია ელექტრომაგნიტური ჩარევისგან მიმდებარე სპილენძის საკაბელო სისტემებისა და ელექტრული აღჭურვილობისგან, რომელსაც შეუძლია ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გამოწვევა. მრავალბოჭკოვანი კაბელები ასევე თავიდან აიცილებენ ელექტრომაგნიტური ჯვარედინის პრობლემას, რომელიც თან ახლავს მრავალწყვილი სპილენძის კაბელებს. ნაკლოვანებებს შორის უნდა აღინიშნოს ოპტიკური ბოჭკოს სისუსტე და ინსტალაციის სირთულე. ზოგიერთ შემთხვევაში საჭიროა მიკრონის სიზუსტე.ოპტიკურ ბოჭკოს აქვს შთანთქმის სპექტრი, რომელიც ნაჩვენებია სურათზე 3.

სურათი 3 ოპტიკური ბოჭკოს შთანთქმის სპექტრი.

V FOCL III გენერირება, ინფორმაციის გადაცემა რეალიზებულია ტალღის სიგრძეზე 1,55 მიკრონი. როგორც სპექტრიდან ჩანს, ამ ტალღის სიგრძეზე შთანთქმა ყველაზე მცირეა, ის არის 0,2 დეციბელი/კმ.

2 საანგარიშო ნაწილი.

2.1 სტრუქტურის შერჩევა და მისი პარამეტრების გაანგარიშება.

მყარი ხსნარის შერჩევა. მყარ ხსნარად აირჩიეს მეოთხეული ნაერთი Ga x In 1- x P y როგორც 1- y . bandgap გამოითვლება შემდეგნაირად:

(2.1)

ამ მყარი ხსნარის იზოპერიოდული სუბსტრატი არის სუბსტრატი InP . მყარი ხსნარის ტიპისთვის A x B 1- x C y D 1- y საწყისი კომპონენტები იქნება ორობითი ნაერთები: 1 AC; 2ძვ.წ. 3 ახ.წ. 4BD . ენერგიის ხარვეზები გამოითვლება ქვემოთ მოცემული ფორმულის გამოყენებით.

E (x, y) = E 4 + (E 3 - E 4) x + (E 2 - E 4) y + (E 1 + E 4 - E 2 - E 3) xy

y(1-y) x(1-x) , (2.2)

სადაც E n ენერგეტიკული უფსკრული ორობითი ნაერთის ბრილუინის ზონის მოცემულ წერტილში;გ წთ არაწრფივიობის კოეფიციენტები ორკომპონენტიანი მყარი ხსნარისთვის, რომელიც წარმოიქმნება ორობითი ნაერთებითმ და ნ.

ცხრილები 1 და 2 გვიჩვენებს ენერგიის ხარვეზების მნიშვნელობებს ბინარული და მეოთხეული ნაერთებისთვის და საჭირო კოეფიციენტები ტემპერატურის გასათვალისწინებლად. ტემპერატურა ამ შემთხვევაში შეირჩა T = 80 °C = 353 K.

ცხრილი 1 ბინარული ნაერთების ენერგეტიკული ხარვეზები.

ცხრილი 2 მეოთხეული ნაერთების ენერგეტიკული უფსკრული.

კომპოზიციის საჭირო მნიშვნელობების შერჩევა განხორციელდა თანაფარდობის მიხედვით x და y ქვემოთ მოცემულია. მიღებული კომპოზიციის მნიშვნელობები ყველა ზონისთვის: აქტიური, ტალღის გამტარი და ემიტერი ზონებისთვის შეჯამებულია ცხრილში 5.

აუცილებელი პირობა ოპტიკური შეზღუდვის რეგიონისა და ემიტერის რეგიონის შემადგენლობის გაანგარიშებისას იყო, რომ ზონის ხარვეზებში განსხვავება უნდა განსხვავდებოდეს მინიმუმ 4-ით.კტ.

მეოთხეული ნაერთის გისოსების პერიოდი გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:

a (x,y) = xya 1 + (1-x)ya 2 + x(1-y)a 3 + (1-x)(1-y)a 4, (2.4)

სადაც 1 a 4 შესაბამისი ორობითი ნაერთების გისოსების პერიოდები. ისინი წარმოდგენილია ცხრილში 3.

ცხრილი 3 ბინარული ნაერთების გისოსების პერიოდები.

ოთხმაგი შეერთებისთვის GaInPAs ყველა რეგიონისთვის, გახეხვის პერიოდების მნიშვნელობები შეჯამებულია ცხრილში 5.

რეფრაქციული ინდექსი გამოითვალა ქვემოთ მოცემული ურთიერთობის გამოყენებით.

(2.5)

სადაც საჭირო პარამეტრები მოცემულია ცხრილში 4.

ცხრილი 4 ორობითი და მეოთხეული ნაერთების პარამეტრები გარდატეხის ინდექსის გამოსათვლელად.

რეფრაქციული ინდექსი ტალღის გამაძლიერებელი რეგიონისთვის შეირჩა ისე, რომ განსხვავდებოდეს ემიტერის რეგიონის რეფრაქციული ინდექსისგან მინიმუმ ერთი პროცენტით.

ცხრილი 5 სამუშაო ადგილების ძირითადი პარამეტრები.

2.2 DFB რეზონატორის გაანგარიშება.

DFB რეზონატორის საფუძველია დიფრაქციული ბადე შემდეგი პერიოდით.

შედეგად მიღებული გახეხვის პერიოდია 214 ნმ. ფენის სისქე აქტიურ რეგიონსა და ემიტერ რეგიონს შორის არჩეულია ტალღის სიგრძის სისქის რიგითად, ანუ 1550 ნმ.

2.3 შიდა კვანტური გამოსავლიანობის გამოთვლა.კვანტური გამოსავლის მნიშვნელობა განისაზღვრება რადიაციული და არარადიაციული გადასვლების ალბათობით.

შიდა კვანტური გამოსავლიანობა η i = 0.9999.

რადიაციის სიცოცხლის ხანგრძლივობა განისაზღვრება როგორც

(

სადაც R = 10 -10 სმ 3 /s რეკომბინაციის კოეფიციენტი, p o = 10 15 სმ -3 წონასწორული მუხტის მატარებლების კონცენტრაცია, Δ n = 1.366*10 25 სმ -3 და გამოითვალა

სადაც n N = 10 18 სმ -3 წონასწორული მუხტის მატარებლების კონცენტრაცია ემიტერში, Δე გ = 0,5 eV სხვაობა AO-სა და OE-ს ზოლის უფსკრულის შორის.

რადიაციული სიცოცხლის ხანგრძლივობა τდა = 7.3203*10 -16 თან. არარადიაციული სიცოცხლის ხანგრძლივობა τდა = 1*10 -7 თან. არარადიაციული სიცოცხლის ხანგრძლივობა განისაზღვრება როგორც

სადაც C = 10 -14 s*m -3 მუდმივი, N l = 10 21 m -3 ხაფანგების კონცენტრაცია.

2.4 ოპტიკური შეზღუდვის გაანგარიშება.

შემცირებული აქტიური ფენის სისქე D = 10.4817:

ოპტიკური შეზღუდვის კოეფიციენტი გ= 0.9821:

ჩვენი შემთხვევისთვის ასევე აუცილებელია დამატებითი კოეფიციენტის გამოთვლა, რომელიც დაკავშირებულია აქტიური რეგიონის სისქესთან r= 0.0394:

სადაც დ n = 1268,8997 ნმ ლაქის ზომა ახლო ზონაში, განსაზღვრული როგორც

2.5 ზღვრული დენის გაანგარიშება.

სარკის ასახვა R = 0.3236:

ზღვრული დენის სიმკვრივე შეიძლება გამოითვალოს შემდეგი ფორმულის გამოყენებით:

სადაც β = 7*10 -7 ნმ -1 რადიაციული ენერგიის გაფანტვისა და შთანთქმისთვის განაწილებული დანაკარგების კოეფიციენტი.

ზღვრული დენის სიმკვრივე j ფორა = 190.6014 ა/სმ 2.

ბარიერი დენი I = j ფორები WL = 38,1202 mA.

2.6 ვატ-ამპერი მახასიათებლებისა და ეფექტურობის გაანგარიშება.

ძალა ზღურბლამდე P-დან = 30,5242 მვტ-მდე.

ძალა ბარიერის შემდეგ P psl = 244,3889 მვტ.

ნახ. სურათი 4 გვიჩვენებს გამომავალი სიმძლავრის დენის დიაგრამას.

სურათი 4 გამომავალი სიმძლავრის დამოკიდებულება დენზე.

ეფექტურობის გაანგარიშება η = 0,8014

ეფექტურობა =

დიფერენციალური ეფექტურობა η d = 0.7792

2.7 რეზონატორის პარამეტრების გაანგარიშება.

სიხშირის სხვაობა Δν q = 2,0594*10 11 ჰც.

Δν q = ν q ν q -1 =

ღერძული რეჟიმების რაოდენობა N ცული = 71

N ცული =

არაღერძული ვიბრაციები Δνმ = 1,236*10 12 ჰც.

Δν m =

რეზონატორის ხარისხის ფაქტორი Q = 5758.0722

რეზონანსული ხაზის სიგანე Δν p = 3,359*10 10 ჰც.

Δν p =

ლაზერის სხივის დივერგენცია = 0,0684°.

სადაც Δλ ემისიის ხაზის სპექტრული სიგანე,მ დიფრაქციული რიგი (ჩვენს შემთხვევაში, პირველი),ბ გისოსების პერიოდი.

2.8 სხვა ფენების შერჩევა.

კარგი ომური კონტაქტის უზრუნველსაყოფად, სტრუქტურაში არის მაღალი დოპირებული ფენა ( N = 10 19 სმ -3 ) 5 მკმ სისქე. ზედა კონტაქტი გამჭვირვალე ხდება, რადგან გამოსხივება გამოდის მის მეშვეობით სუბსტრატის პერპენდიკულურად. სუბსტრატზე გაზრდილი სტრუქტურების გასაუმჯობესებლად სასურველია გამოიყენოთ ბუფერული ფენა. ჩვენს შემთხვევაში, ბუფერული ფენა არჩეულია 5 მკმ სისქით. თავად ბროლის ზომები აირჩიეს შემდეგნაირად: სისქე 100 μm, სიგანე 100 μm, სიგრძე 200 μm. სტრუქტურის დეტალური სურათი ყველა ფენით წარმოდგენილია სურათზე 5. ყველა ფენის პარამეტრები, როგორიცაა ენერგიის ხარვეზები, რეფრაქციული ინდექსები და დოპინგის დონეები წარმოდგენილია სურათებში 6, 7, 8, შესაბამისად.

ნახაზი 6 სტრუქტურის ენერგეტიკული დიაგრამა.

სურათი 7 სტრუქტურის ყველა ფენის რეფრაქციული ინდექსები.

სურათი 8 სტრუქტურის ფენების დოპინგის დონეები.

სურათი 9 მყარი ხსნარების შერჩეული კომპოზიციები.

დასკვნა

განვითარებულ ნახევარგამტარ ლაზერს აქვს მახასიათებლები, რომლებიც აღემატება თავდაპირველად მითითებულს. ამრიგად, განვითარებული ლაზერული სტრუქტურისთვის ბარიერის დენი იყო 38,1202 mA, რაც უფრო დაბალია, ვიდრე მითითებული 40 mA. გამომავალი სიმძლავრე ასევე გადააჭარბა საკმარის 30,5242 მვტ-ს 5-ის წინააღმდეგ.

აქტიური ზონის შემადგენლობა გამოითვლება მყარი ხსნარის საფუძველზე GaInPAs არის იზოპერიოდული სუბსტრატის მიმართ InP , შეუსაბამობა გახეხვის პერიოდს შორის იყო 0,0145%. თავის მხრივ, შემდეგი ფენების გისოსების პერიოდები ასევე განსხვავდება არაუმეტეს 0,01%-ით (ცხრილი 5). ეს უზრუნველყოფს მიღებული სტრუქტურის ტექნოლოგიური მიზანშეწონილობის წინაპირობას და ასევე ხელს უწყობს სტრუქტურის დეფექტის შემცირებას, ხელს უშლის ჰეტეროინტერფეისზე დიდი არაკომპენსირებული დაჭიმვის ან შეკუმშვის ძალების გამოჩენას. ოპტიკური შეზღუდვის რეგიონში ელექტრომაგნიტური ტალღის ლოკალიზაციის უზრუნველსაყოფად, საჭიროა შპს-სა და OE-ს რეფრაქციულ მაჩვენებლებში განსხვავება მინიმუმ ერთი პროცენტით, ეს მნიშვნელობა იყო 1,2721%, რაც დამაკმაყოფილებელი შედეგია ამ პარამეტრის შემდგომი გაუმჯობესება შეუძლებელია იმის გამო, რომ შემდგომი ცვლა შეუძლებელია იზოპერიოდით. ასევე, ლაზერული სტრუქტურის ფუნქციონირებისთვის აუცილებელი პირობაა ელექტრონების ლოკალიზაციის უზრუნველყოფა აქტიურ რეგიონში, რათა შესაძლებელი იყოს მათი აგზნება შემდგომი სტიმულირებული ემისიით, იმ პირობით, რომ უფსკრული იყოს OO-სა და AO ზონებს შორის 4-ზე მეტიკტ (შესრულებულია ცხრილი 5).

შედეგად მიღებული სტრუქტურის ოპტიკური შეზღუდვის კოეფიციენტი იყო 0,9821, თუმცა, მისი შემდგომი გაზრდისთვის აუცილებელია ოპტიკური შეზღუდვის სისქის გაზრდა; უფრო მეტიც, შპს სისქის რამდენჯერმე გაზრდა იძლევა ოპტიკური შეზღუდვის კოეფიციენტის უმნიშვნელო ზრდას, შესაბამისად, შპს-ს ოპტიმალურ სისქედ არჩეულ იქნა რადიაციის ტალღის სიგრძესთან ახლოს, ანუ 1550 ნმ.

შიდა კვანტური ეფექტურობის მაღალი მნიშვნელობა (99,9999%) განპირობებულია არარადიაციული გადასვლების მცირე რაოდენობით, რაც თავის მხრივ არის სტრუქტურის დაბალი დეფექტის შედეგი. დიფერენციალური ეფექტურობა არის სტრუქტურის ეფექტურობის განზოგადებული მახასიათებელი და ითვალისწინებს ისეთ პროცესებს, როგორიცაა რადიაციული ენერგიის გაფრქვევა და შთანთქმა. ჩვენს შემთხვევაში ეს იყო 77,92%.

მიღებული ხარისხის ფაქტორის მნიშვნელობა იყო 5758.0722, რაც მიუთითებს რეზონატორში დანაკარგების დაბალ დონეზე. ვინაიდან ბროლის კრისტალოგრაფიული სიბრტყეების გასწვრივ ჩიპებით წარმოქმნილ ბუნებრივ რეზონატორს აქვს სარკის ასახვის კოეფიციენტი 32,36%, მას ექნება უზარმაზარი დანაკარგები. როგორც რეზონატორის საფუძველი, შეიძლება გამოვიყენოთ განაწილებული უკუკავშირი, რომელიც ეფუძნება სინათლის ტალღების ბრაგის ასახვის ეფექტს OOO საზღვარზე შექმნილ პერიოდულ ბადეზე. გამოთვლილი გისოსის პერიოდი იყო 214,305 ნმ, რაც 100 მკმ ბროლის სიგანით შესაძლებელს ხდის დაახლოებით 470 პერიოდის შექმნას. რაც უფრო მეტია პერიოდების რაოდენობა, მით უფრო ეფექტური იქნება ასახვა. DFB რეზონატორის კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ მას აქვს მაღალი ტალღის სიგრძის სელექციურობა. ეს შესაძლებელს ხდის გარკვეული სიხშირის გამოსხივებას, რაც საშუალებას აძლევს ადამიანს გადალახოს ნახევარგამტარული ლაზერების ერთ-ერთი მთავარი მინუსი - გამოსხივების ტალღის სიგრძის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე. ასევე, DFB-ის გამოყენება შესაძლებელს ხდის გამოსხივებას მოცემული კუთხით. ალბათ ეს იყო ძალიან მცირე განსხვავების კუთხის მიზეზი: 0,0684 °. ამ შემთხვევაში, გამოსხივება გამოდის სუბსტრატის პერპენდიკულარულად, რაც ყველაზე ოპტიმალური ვარიანტია, რადგან ის ასევე ხელს უწყობს უმცირესი განსხვავების კუთხეს.

ორიგინალური წყაროების სია

1. პიხტინი ა.ნ. ოპტიკური და კვანტური ელექტრონიკა: სახელმძღვანელო. უნივერსიტეტებისთვის [ტექსტი] / A.N. პიხტინი. მ.: უმაღლესი. სკოლა, 2001. 573 გვ.

2. ტარასოვი ს.ა., პიხტი ა.ნ. ნახევარგამტარული ოპტოელექტრონული მოწყობილობები. საგანმანათლებლოშემწეობა . პეტერბურგი. : პეტერბურგის სახელმწიფო ელექტროტექნიკური უნივერსიტეტის გამომცემლობა „LETI“. 2008. 96 გვ.

3. ა.ფ.-ს სახელობის ფიზიკურ-ტექნიკური ინსტიტუტი. Ioffe რუსეთის მეცნიერებათა აკადემია [ელექტრონული რესურსი] წვდომის რეჟიმი: http://www. იოფე. ru / SVA / NSM / ნახევარკონდი /

გვერდი \* შერწყმა 1

ნახევარგამტარული ინექციის ლაზერები,ისევე როგორც სხვა ტიპის მყარი მდგომარეობის გამოსხივება - LED-ები,ნებისმიერი ოპტოელექტრონული სისტემის ყველაზე მნიშვნელოვანი ელემენტია. ორივე მოწყობილობის მოქმედება ემყარება ფენომენს ელექტროლუმინესცენცია.ზემოაღნიშნული ნახევარგამტარული ემიტერებთან მიმართებაში ელექტროლუმინესცენციის მექანიზმი რეალიზებულია რადიაციული რეკომბინაციაარათანაბარი მუხტის მატარებლების ინექცია p-n შეერთება.

პირველი LED-ები გამოჩნდა მეოცე საუკუნის 50-60-იანი წლების ბოლოს და უკვე 1961 წელს. ნ.გ. ბასოვი, ო.ნ. კროხინი და იუ.მ. პოპოვიშემოთავაზებულია ინექციის გამოყენება დეგენერაციულ p-n შეერთებებში ლაზერული ეფექტის მისაღებად. 1962 წელს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა რ ჰოლიდა სხვ. შესაძლებელი გახდა ნახევარგამტარული LED-ის სპექტრული ემისიის ხაზის შევიწროების დაფიქსირება, რაც განიმარტება, როგორც ლაზერული ეფექტის გამოვლინება ("superradiance"). 1970 წელს რუსი ფიზიკოსები - ჟ.ი. ალფეროვიდა სხვ. გაკეთდა პირველი ჰეტეროსტრუქტურული ლაზერები.ამან შესაძლებელი გახადა მოწყობილობების მასიური სერიული წარმოებისთვის შესაფერისი მოწყობილობების დამზადება, რომელსაც 2000 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია ფიზიკაში. ამჟამად ნახევარგამტარული ლაზერები ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ძირითადად მოწყობილობებში კომპიუტერის, აუდიო და ვიდეო დისკებიდან ინფორმაციის ჩაწერისა და წაკითხვისთვის. ნახევარგამტარული ლაზერების ძირითადი უპირატესობებია:

1. ეკონომიური,უზრუნველყოფილია ტუმბოს ენერგიის თანმიმდევრულ რადიაციულ ენერგიად გარდაქმნის მაღალი ეფექტურობით;

2. დაბალი ინერცია,გენერირების რეჟიმის დამყარების მოკლე დამახასიათებელი დროის გამო (~ 10 -10 წმ);

3. კომპაქტურობა,დაკავშირებულია ნახევარგამტარების თვისებასთან, რათა უზრუნველყოს უზარმაზარი ოპტიკური მოგება;

4. მარტივი მოწყობილობადაბალი ძაბვის ელექტრომომარაგება, თავსებადობა ინტეგრირებულ სქემებთან („მიკროჩიპები“);

5. შესაძლებლობა გლუვი ტალღის სიგრძის რეგულირებაფართო დიაპაზონში, ნახევარგამტარების ოპტიკური თვისებების დამოკიდებულების გამო ტემპერატურაზე, წნევაზე და ა.შ.

მთავარი თვისებამათში გამოიყენება ნახევარგამტარული ლაზერები ოპტიკური გადასვლებიენერგეტიკული დონეების ჩართვა (ენერგეტიკული მდგომარეობა) ძირითადი ელექტრონული ენერგეტიკული ზონებიბროლის. ეს არის განსხვავება ნახევარგამტარულ ლაზერებსა და, მაგალითად, ლალის ლაზერებს შორის, რომლებიც იყენებენ ოპტიკურ გადასვლებს ქრომის იონის Cr 3+ მინარევების დონეებს შორის Al 2 O 3-ში. ნახევარგამტარულ ლაზერებში გამოსაყენებლად, ნახევარგამტარული ნაერთები A III B V აღმოჩნდა ყველაზე შესაფერისი (იხ. შესავალი). ეს არის ამ ნაერთების და მათი საფუძველზე მყარი გადაწყვეტილებებინახევარგამტარული ლაზერების უმეტესობა წარმოებულია ინდუსტრიის მიერ. ამ კლასის ბევრ ნახევარგამტარ მასალაში ჭარბი დენის მატარებლების რეკომბინაცია ხორციელდება პირდაპირიოპტიკური გადასვლები შევსებულ მდგომარეობებს შორის გამტარობის ზოლის ქვედა მახლობლად და თავისუფალ მდგომარეობებს შორის ვალენტობის ზოლის ზედა ნაწილთან (ნახ. 1). ოპტიკური გადასვლების მაღალი ალბათობა პირდაპირი-უფსკრულინახევარგამტარები და ზოლებში მდგომარეობების მაღალი სიმკვრივე შესაძლებელს ხდის მიღებას მაღალი ოპტიკური მოგებანახევარგამტარში.

ნახ.1. ფოტონის ემისია რადიაციული რეკომბინაციის დროს პირდაპირი უფსკრული ნახევარგამტარში ინვერსიულ პოპულაციასთან.

განვიხილოთ ნახევარგამტარული ლაზერის მუშაობის ძირითადი პრინციპები. თუ ნახევარგამტარი კრისტალი მდგომარეობაშია თერმოდინამიკური წონასწორობაგარემოსთან, მაშინ მას მხოლოდ შეუძლია შთანთქავსმასზე რადიაციული ინციდენტი. სინათლის მოგზაურობის მანძილის ინტენსივობა კრისტალში X, მოცემულია ცნობილი მიმართებით ბუგე-ლამბერტი

აქ რ- სინათლის ასახვის კოეფიციენტი;

α - სინათლის შთანთქმის კოეფიციენტი.

შუქის გასაშვებად გაძლიერდაკრისტალში გავლის ნაცვლად დასუსტებაა საჭირო, რომ კოეფიციენტი α იყო ნულზე ნაკლები, რაც არის თერმოდინამიკურად წონასწორული გარემო შეუძლებელია.ნებისმიერი ლაზერის (გაზის, თხევადი, მყარი მდგომარეობის) ფუნქციონირებისთვის საჭიროა, რომ ლაზერის სამუშაო გარემო იყოს მდგომარეობაში ინვერსიული პოპულაცია -მდგომარეობა, რომელშიც ელექტრონების რაოდენობა მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე იქნება უფრო მეტი, ვიდრე ქვედა ენერგეტიკულ დონეზე (ამ მდგომარეობას ასევე უწოდებენ "უარყოფითი ტემპერატურის მდგომარეობას"). მოდით მივიღოთ მიმართება, რომელიც აღწერს მდგომარეობას ინვერსიულ პოპულაციასთან ნახევარგამტარებში.

დაე ε 1და ε 2 – ოპტიკურად შეწყვილებულიენერგიის დონეები ერთმანეთს შორის, რომელთაგან პირველი არის ვალენტობის ზოლში, ხოლო მეორე ნახევარგამტარის გამტარობის ზოლში (ნახ. 2). ტერმინი „ოპტიკურად დაწყვილებული“ ნიშნავს, რომ მათ შორის ელექტრონების გადასვლა დაშვებულია შერჩევის წესებით. სინათლის კვანტური ენერგიის შთანთქმა hν 12, ელექტრონი მოძრაობს დონიდან ε 1თითო დონეზე ε 2. ასეთი გადასვლის სიჩქარე იქნება პირველი დონის დასახლების ალბათობის პროპორციული ვ 1, ალბათობა იმისა, რომ მეორე დონე ცარიელია: (1- ვ 2) და ფოტონის ნაკადის სიმკვრივე P(hν 12)

საპირისპირო გადასვლა - ზედა დონიდან ქვედაზე, შეიძლება მოხდეს ორი გზით - იმის გამო სპონტანურიდა იძულებულირეკომბინაცია. მეორე შემთხვევაში, სინათლის კვანტის ურთიერთქმედება ელექტრონთან, რომელიც მდებარეობს ε 2 დონეზე, „აიძულებს“ ელექტრონს ხელახლა შეერთოს ემისიასინათლის კვანტური, იდენტურიის, რამაც გამოიწვია იძულებითი რეკომბინაციის პროცესი. რომ. სისტემაში ხდება სინათლის გაძლიერება, რაც არის ლაზერის მუშაობის არსი. სპონტანური და იძულებითი რეკომბინაციის მაჩვენებლები დაიწერება შემდეგნაირად:

(3)

თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში

. (5)

მე-5 პირობის გამოყენებით შეიძლება აჩვენოს, რომ კოეფიციენტები 12-ზე, 21-ზედა A 21("აინშტაინის კოეფიციენტები") დაკავშირებულია ერთმანეთთან, კერძოდ:

, (6)

სად n –ნახევარგამტარული რეფრაქციული ინდექსი; თან- სინათლის სიჩქარე.

თუმცა, შემდგომში ჩვენ არ გავითვალისწინებთ სპონტანურ რეკომბინაციას, ვინაიდან სპონტანური რეკომბინაციის სიჩქარე არ არის დამოკიდებული ფოტონის ნაკადის სიმკვრივეზე ლაზერის სამუშაო გარემოში და იძულებითი რეკომბინაციის სიჩქარე იქნება დიდ მნიშვნელობებზე Р(hν 12) მნიშვნელოვნად აღემატება სპონტანური რეკომბინაციის სიჩქარეს. იმისათვის, რომ მოხდეს სინათლის გაძლიერება, იძულებითი ზემოდან ქვევით გადასვლების სიჩქარე უნდა აღემატებოდეს ქვემოდან ზევით გადასვლის სიჩქარეს:

ჩაწერეთ ელექტრონების ენერგიით დონეების დაკავების ალბათობა ε 1და ε 2სახით

, (8)

ვიღებთ ნახევარგამტარებში ინვერსიული პოპულაციის პირობას

რადგან მინიმალური მანძილი დონეებს შორის ε 1და ε 2ზუსტად ტოლია ნახევარგამტარის ზოლის უფსკრულის ეგ.ეს ურთიერთობა ცნობილია როგორც ბერნარდ-დურაფურის ურთიერთობა.

ფორმულა 9 მოიცავს ე.წ. კვაზი-ფერმის დონეები- ფერმის დონეები ცალკე გამტარობის ზოლისთვის F Cდა ვალენტობის ზოლი F V. ეს ვითარება შესაძლებელია მხოლოდ არაბალანსირებული სიტუაციისთვის, უფრო სწორად, ამისთვის კვაზი წონასწორობასისტემები. ორივე დაშვებულ ზოლში ფერმის დონეების (შევსებული ელექტრონების და ცარიელი მდგომარეობების გამიჯნული დონეები (იხ. შესავალი)) ფორმირებისთვის საჭიროა, რომ პულსის დასვენების დროიყო ელექტრონებისა და ხვრელების სიდიდის რამდენიმე რიგი ნაკლები სიცოცხლეზედმეტი მუხტის მატარებლები:

შედეგად არათანაბარიზოგადად, ელექტრონ-ხვრელის გაზი შეიძლება ჩაითვალოს კომბინაციად წონასწორობის ელექტრონულიგაზი გამტარ ზონაში და წონასწორობის ხვრელიგაზი ვალენტობის ზოლში (ნახ. 2).

ნახ.2. ნახევარგამტარის ენერგეტიკული დიაგრამა ინვერსიული დონის პოპულაციის მქონე. ელექტრონით სავსე მდგომარეობები დაჩრდილულია.

ლაზერის სამუშაო გარემოში (ჩვენს შემთხვევაში, ნახევარგამტარ კრისტალში) ინვერსიული პოპულაციის შექმნის პროცედურა ე.წ. სატუმბი.ნახევარგამტარული ლაზერები შეიძლება ამოტუმბონ გარედან შუქით, სწრაფი ელექტრონების სხივით, ძლიერი რადიოსიხშირული ველით ან თვით ნახევარგამტარში ზემოქმედების იონიზაციით. მაგრამ ყველაზე მარტივი, ყველაზე ეკონომიური და, იმის გამო, რომ ყველაზე გავრცელებულინახევარგამტარული ლაზერების ამოტუმბვის გზაა ინექციადამუხტვის მატარებლები დეგენერაციულ p-n შეერთებაზე(იხ. მეთოდოლოგიური სახელმძღვანელო „ნახევარგამტარული მოწყობილობების ფიზიკა“; გვირაბის დიოდი). ასეთი ამოტუმბვის პრინციპი ნათლად ჩანს ნახ.3-დან, სადაც ენერგიის დიაგრამაასეთი გადასვლა თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში და ზე დიდი წინსვლის მიკერძოება. ჩანს, რომ რეგიონში d, უშუალოდ p-n შეერთების მიმდებარედ, რეალიზებულია ინვერსიული პოპულაცია - ენერგეტიკული მანძილი კვაზი-ფერმის დონეებს შორის უფრო მეტია, ვიდრე ზოლის უფსკრული.

ნახ.3. დეგენერირებული pn შეერთება თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში (მარცხნივ) და დიდი წინ გადახრისას (მარჯვნივ).

თუმცა, სამუშაო გარემოში ინვერსიული მოსახლეობის შექმნა არის საჭირო,მაგრამ მაინც არ არის საკმარისი პირობალაზერული გამოსხივების შესაქმნელად. ნებისმიერ ლაზერში და განსაკუთრებით ნახევარგამტარულ ლაზერში, მოწყობილობაზე მიწოდებული ტუმბოს ენერგიის ნაწილი უსარგებლოდ დაიკარგება. და მხოლოდ მაშინ, როდესაც სატუმბი სიმძლავრე აღემატება გარკვეულ მნიშვნელობას - თაობის ბარიერი,ლაზერი იწყებს მუშაობას, როგორც კვანტური სინათლის გამაძლიერებელი. როდესაც გენერირების ბარიერი გადააჭარბებს:

· ა) მკვეთრად იზრდებააპარატის მიერ გამოსხივებული გამოსხივების ინტენსივობა (სურ. 4a);

ბ) ტაპერებისპექტრალური ხაზირადიაცია (ნახ. 4ბ);

· გ) გამოსხივება ხდება თანმიმდევრული და ვიწრო ორიენტირებული.

ნახ.4. ნახევარგამტარული ლაზერის ემისიის სპექტრული ხაზის (მარჯვნივ) ინტენსივობის გაზრდა (მარცხნივ) და შევიწროება, როდესაც დენი აჭარბებს ზღვრულ მნიშვნელობას.

ზღურბლის ლაზირების პირობების მისაღწევად, ჩვეულებრივ მოთავსებულია ლაზერული სამუშაო საშუალება ოპტიკური რეზონატორი.ეს ზრდის ოპტიკური ბილიკის სიგრძესსინათლის სხივი სამუშაო გარემოში, აადვილებს ლასირების ზღურბლის მიღწევას, ხელს უწყობს სხივის უკეთ ფოკუსირებას და ა.შ. ნახევარგამტარულ ლაზერებში ოპტიკური რეზონატორების მრავალფეროვნებიდან ყველაზე გავრცელებულია უმარტივესი. Fabry-Pero რეზონატორი– ორი სიბრტყე-პარალელური სარკე pn შეერთების პერპენდიკულარული. უფრო მეტიც, თავად ნახევარგამტარული ბროლის გაპრიალებული კიდეები სარკედ გამოიყენება.

განვიხილოთ ელექტრომაგნიტური ტალღის გავლა ასეთი რეზონატორის მეშვეობით. ავიღოთ რეზონატორის მარცხენა სარკის გამტარიანობა და ასახვის კოეფიციენტი t 1და r 1, მარჯვენა (რომლის მეშვეობითაც გამოსხივება გადის) - უკან t 2და r 2; რეზონატორის სიგრძე - ლ. დაეცემა ელექტრომაგნიტური ტალღა ბროლის მარცხენა მხარეს გარედან, რომლის განტოლება დაიწერება სახით:

. (11)

მარცხენა სარკეში, ბროლსა და მარჯვენა სარკეში გავლის შემდეგ, გამოსხივების ნაწილი გამოვა ბროლის მარჯვენა მხარეს, ნაწილი კი აირეკლება და კვლავ წავა მარცხენა მხარეს (ნახ. 5).

ნახ.5. ელექტრომაგნიტური ტალღა Fabry-Pero-ს რეზონატორში.

სხივის შემდგომი გზა რეზონატორში, ამომავალი და არეკლილი სხივების ამპლიტუდები ნათელია ფიგურიდან. მოდით შევაჯამოთ ყველა გამოთავისუფლებული ელექტრომაგნიტური ტალღების ამპლიტუდა ბროლის მარჯვენა მხარის მეშვეობით:

= (12).

ჩვენ მოვითხოვთ, რომ ყველა ტალღის ამპლიტუდის ჯამი, რომელიც გამოდის მარჯვენა მხარეს, არ იყოს ნულის ტოლი ბროლის მარცხენა მხარეს ტალღის გაქრობის მცირე ამპლიტუდის შემთხვევაშიც კი. ცხადია, ეს შეიძლება მოხდეს მხოლოდ მაშინ, როდესაც (12) წილადის მნიშვნელი ნულისკენ მიისწრაფვის. აქედან ვიღებთ:

, (13)

და იმის გათვალისწინებით, რომ სინათლის ინტენსივობა, ე.ი. , სად რ 1 , რ 2 - სარკეების ასახვის კოეფიციენტები - კრისტალური სახეები "ინტენსივობის მიხედვით" და, გარდა ამისა, ჩვენ საბოლოოდ დავწერთ ლაზირების ზღურბლის თანაფარდობას, როგორც:

. (14)

(11)-დან გამომდინარეობს, რომ ექსპონენტში შემავალი 2G ფაქტორი დაკავშირებულია კრისტალის კომპლექსურ რეფრაქციულ ინდექსთან:

(15) მარჯვენა მხარეს, პირველი ტერმინი განსაზღვრავს სინათლის ტალღის ფაზას, ხოლო მეორე, ამპლიტუდას. ჩვეულებრივ, თერმოდინამიკურად წონასწორულ გარემოში ხდება სინათლის შესუსტება (შთანთქმა) ლაზერის აქტიურ სამუშაო გარემოში, იგივე ურთიერთობა უნდა იყოს ჩაწერილი ფორმით , სად გ - მსუბუქი მოგებადა სიმბოლო αiდანიშნული ყველა დანაკარგიტუმბოს ენერგია, სულაც არ არის მხოლოდ ოპტიკური ხასიათის. მერე ამპლიტუდის ბარიერის მდგომარეობაგადაიწერება შემდეგნაირად:

ან . (16)

ამრიგად, ჩვენ განვსაზღვრეთ საჭირო(9) და საკმარისი(16) პირობები ნახევარგამტარული ლაზერის წარმოებისთვის. როგორც კი ღირებულება მოგებაგადააჭარბებს დანაკარგებიპირველი ტერმინით განსაზღვრული რაოდენობით (16), სამუშაო გარემოში დონეების შებრუნებული პოპულაციის მქონე, სინათლე დაიწყებს გაძლიერებას. თავად მოგება დამოკიდებული იქნება ტუმბოს სიმძლავრეზე ან, რაც იგივეა საინექციო ლაზერებისთვის, სიდიდეზე ოპერაციული დენი.ნახევარგამტარული ლაზერების ტიპიურ სამუშაო არეალში და წრფივად დამოკიდებულია სამუშაო დენზე

. (17)

(16) და (17)-დან ზღვრული დენიჩვენ ვიღებთ:

, (18)

სადაც გავლით მე 0 დანიშნულია ე.წ „ინვერსიის ბარიერი“ არის მოქმედი დენის მნიშვნელობა, რომლითაც მიიღწევა ნახევარგამტარში შებრუნებული პოპულაცია. იმიტომ რომ ჩვეულებრივ, პირველი ტერმინი (18) შეიძლება უგულებელყო.

პროპორციულობის ფაქტორი β ლაზერისთვის ჩვეულებრივი p-n შეერთების გამოყენებით და დამზადებულია, მაგალითად, GaAs-დან, შეიძლება გამოითვალოს ფორმულის გამოყენებით

, (19)

სად ედა Δ E –ლაზერული გამოსხივების სპექტრული ხაზის პოზიცია და ნახევარი სიგანე.

18 ფორმულის გამოყენებით გაანგარიშება იძლევა ოთახის ტემპერატურაზე T = 300 K ასეთი ლაზერისთვის ზღვრული დენის სიმკვრივის ძალიან მაღალ მნიშვნელობებს 5 . 10 4 ა/სმ 2, ე.ი. ასეთი ლაზერების მუშაობა შესაძლებელია როგორც კარგი გაგრილებით, ასევე მოკლე პულსის რეჟიმში. ამიტომ, როგორც ზემოთ აღინიშნა, მხოლოდ 1970 წელს შეიქმნა ჟ.ი ჰეტეროჯუნქციული ლაზერებიდაშვებული შეამცირეთ სიდიდის 2 ბრძანებითნახევარგამტარული ლაზერების ზღვრული დენები, რამაც საბოლოოდ განაპირობა ამ მოწყობილობების ფართო გამოყენება ელექტრონიკაში.

იმის გასაგებად, თუ როგორ მიღწეული იქნა ეს, მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ დაკარგვის სტრუქტურანახევარგამტარ ლაზერებში. არასპეციფიკურისთვის, საერთო ყველა ლაზერისთვის,და პრინციპში გამოუსწორებელი დანაკარგებიზარალი უნდა მიეწეროს სპონტანური გადასვლებიდა დანაკარგები თერმიზაცია.

სპონტანური გადასვლებიზედა დონიდან ქვედა დონეზე ყოველთვის იქნება წარმოდგენილი და რადგან ამ შემთხვევაში გამოსხივებულ სინათლის კვანტებს ექნებათ შემთხვევითი განაწილება ფაზაში და გავრცელების მიმართულებით (მათ არ ექნებათ თანმიმდევრული), მაშინ ტუმბოს ენერგიის ხარჯვა სპონტანურად რეკომბინირებული ელექტრონ-ხვრელების წყვილების წარმოქმნაზე უნდა კლასიფიცირდეს დანაკარგებად.

ნებისმიერი სატუმბი მეთოდით, ელექტრონები, რომელთა ენერგია აღემატება კვაზი-ფერმის დონის ენერგიას, ჩააგდებენ ნახევარგამტარის გამტარ ზოლში. F C. ეს ელექტრონები, რომლებიც კარგავენ ენერგიას მედის დეფექტებთან შეჯახებისას, სწრაფად ეშვებიან კვაზი-ფერმის დონემდე - პროცესი ე.წ. თერმიზაცია.ელექტრონების მიერ დაკარგული ენერგია, როდესაც ისინი მიმოფანტულია მედის დეფექტებზე, არის თერმიზაციის დაკარგვა.

TO ნაწილობრივ მოსახსნელიდანაკარგები შეიძლება შეიცავდეს ზარალს არარადიაციული რეკომბინაცია. პირდაპირი უფსკრული ნახევარგამტარებში, ღრმა მინარევების დონე ჩვეულებრივ პასუხისმგებელია არარადიაციულ რეკომბინაციაზე (იხ. „ფოტოელექტრული ეფექტი ერთგვაროვან ნახევარგამტარებში“). ნახევარგამტარული კრისტალის ფრთხილად გაწმენდა მინარევებისაგან, რომლებიც ქმნიან ასეთ დონეებს, ამცირებს არარადიაციული რეკომბინაციის ალბათობას.

და ბოლოს, ზარალი არარეზონანსული აბსორბციადა ზე გაჟონვის დენებიშეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს წარმოებისთვის ლაზერების გამოყენებით ჰეტეროსტრუქტურები.

ჩვეულებრივი p-n შეერთებისგან განსხვავებით, სადაც იდენტური ნახევარგამტარები განლაგებულია კონტაქტის წერტილის მარჯვნივ და მარცხნივ, განსხვავდებიან მხოლოდ მინარევების შემადგენლობით და გამტარობის ტიპით, ჰეტეროსტრუქტურებში, სხვადასხვა ქიმიური შემადგენლობის ნახევარგამტარები განლაგებულია კონტაქტის ორივე მხარეს. ამ ნახევარგამტარებს აქვთ სხვადასხვა ზოლის უფსკრული, ამიტომ შეხების ადგილას იქნება ელექტრონის პოტენციური ენერგიის „ნახტომი“ („კაკვის“ ტიპი ან „კედლის“ ტიპი (ნახ. 6)).

სურ.6. საინექციო ლაზერი, რომელიც დაფუძნებულია ორმხრივ ჰეტეროსტრუქტურაზე თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში (მარცხნივ) და მუშაობის რეჟიმში (მარჯვნივ).

ნახევარგამტარების გამტარობის ტიპის მიხედვით, ჰეტეროსტრუქტურები შეიძლება იყოს იზოტიპური(p-P; n-N ჰეტეროსტრუქტურები) და ანისოტიპური(p-N; n-P ჰეტეროსტრუქტურები). ჰეტეროსტრუქტურებში დიდი ასოები ჩვეულებრივ აღნიშნავენ ნახევარგამტარს უფრო დიდი ზოლის უფსკრულით. ყველა ნახევარგამტარს არ შეუძლია შექმნას მაღალი ხარისხის ჰეტეროსტრუქტურები, რომლებიც შესაფერისია მათზე დაფუძნებული ელექტრონული მოწყობილობების შესაქმნელად. იმისათვის, რომ ინტერფეისი შეიცავდეს რაც შეიძლება ნაკლებ დეფექტს, ჰეტეროსტრუქტურის კომპონენტებს უნდა ჰქონდეთ იგივე კრისტალური სტრუქტურადა ძალიან ახლო ღირებულებებიგისოსის მუდმივი. A III B V ჯგუფის ნახევარგამტარებს შორის ნაერთების მხოლოდ ორი წყვილი აკმაყოფილებს ამ მოთხოვნას: GaAs-AlAs და GaSb-AlSb და მათი მყარი გადაწყვეტილებები(იხ. შესავალი), ე.ი. GaAs-Ga x Al 1- x As; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. ნახევარგამტარების შემადგენლობის გართულებით შესაძლებელია ჰეტეროსტრუქტურების შესაქმნელად შესაფერისი სხვა წყვილების შერჩევა, მაგალითად InP-In x Ga 1- x As y P 1- y; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y. საინექციო ლაზერები ასევე მზადდება ჰეტეროსტრუქტურებისგან, რომლებიც დაფუძნებულია ნახევარგამტარულ ნაერთებზე A IV B VI, როგორიცაა PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - ეს ლაზერები ასხივებენ სპექტრის შორეულ ინფრაწითელ რეგიონში.

დანაკარგები გაჟონვის დენებიჰეტეროლაზერებში შესაძლებელია ამის თითქმის მთლიანად აღმოფხვრა ჰეტეროსტრუქტურის შემქმნელი ნახევარგამტარების ზოლების უფსკრულის განსხვავების გამო. მართლაც (ნახ. 3), d რეგიონის სიგანე ჩვეულებრივი p-n შეერთების მახლობლად, სადაც შებრუნებული პოპულაციის პირობა დაკმაყოფილებულია, არის მხოლოდ 1 μm, მაშინ როდესაც შეერთების მეშვეობით შეყვანილი მუხტის მატარებლები რეკომბინირებულია ბევრად უფრო დიდ რეგიონში L n + L. p 10 მკმ სიგანით. ამ რეგიონში მატარებლების რეკომბინაცია არ უწყობს ხელს თანმიმდევრულ ემისიას. IN ორმხრივი N-p-P ჰეტეროსტრუქტურის (ნახ. 6) რეგიონი ინვერსიული პოპულაციით ემთხვევა ვიწრო უფსკრული ნახევარგამტარული ფენის სისქესჰეტეროლაზერის ცენტრში. თითქმის ყველაფერიელექტრონები და ხვრელები, რომლებიც შეყვანილია ამ რეგიონში ფართო უფსკრული ნახევარგამტარებიდან იქ ისინი ერწყმის ერთმანეთს.პოტენციური ბარიერები ფართო უფსკრული და ვიწრო უფსკრული ნახევარგამტარების ინტერფეისზე ხელს უშლის მუხტის მატარებლების „გავრცელებას“, რაც მკვეთრად ზრდის ასეთი სტრუქტურის ეფექტურობას ჩვეულებრივ (ნახ. 3) p-n შეერთებასთან შედარებით.

ვიწრო უფსკრული ნახევარგამტარულ ფენაში კონცენტრირებული იქნება არა მხოლოდ არათანაბარი ელექტრონები და ხვრელები, არამედ რადიაციის უმეტესი ნაწილი.ამ ფენომენის მიზეზი არის ის, რომ ნახევარგამტარები, რომლებიც ქმნიან ჰეტეროსტრუქტურას, განსხვავდებიან მათი გარდატეხის ინდექსის მნიშვნელობით. როგორც წესი, გარდატეხის ინდექსი უფრო მაღალია ვიწრო უფსკრული ნახევარგამტარებისთვის. ამრიგად, ყველა სხივს, რომელსაც აქვს დაცემის კუთხე ორი ნახევარგამტარის საზღვარზე

, (20)

გაივლის მთლიანი შიდა ასახვა.შესაბამისად, რადიაცია „ჩაკეტილი“ იქნება აქტიურ შრეში (ნახ. 7), რაც მნიშვნელოვნად შეამცირებს დანაკარგებს არარეზონანსული აბსორბცია(ჩვეულებრივ, ეს არის ე.წ. „შეწოვა უფასო გადამზიდავების მიერ“).

ნახ.7. ოპტიკური შეზღუდვა ჰეტეროსტრუქტურაში სინათლის გავრცელებისას. θ-ზე მეტი დაცემის კუთხით, მთლიანი შიდა ასახვა ხდება ჰეტეროსტრუქტურის შემადგენელი ნახევარგამტარების ინტერფეისიდან.

ყოველივე ზემოთქმული შესაძლებელს ხდის ჰეტეროლაზერებში მიღებას გიგანტური ოპტიკური მოგებააქტიური რეგიონის მიკროსკოპული ზომებით: აქტიური ფენის სისქე, რეზონატორის სიგრძე . ჰეტეროლაზერები მოქმედებენ ოთახის ტემპერატურაზე უწყვეტი რეჟიმიდა დამახასიათებელი ოპერაციული დენის სიმკვრივეარ აღემატებოდეს 500 ა/სმ2. ემისიის სპექტრიყველაზე კომერციულად წარმოებული ლაზერები, რომელშიც არის სამუშაო საშუალება გალიუმის არსენიდი,წარმოადგენს ვიწრო ხაზს მაქსიმუმით სპექტრის ახლო ინფრაწითელ რეგიონში თუმცა შემუშავებულია ნახევარგამტარული ლაზერები, რომლებიც წარმოქმნიან ხილულ გამოსხივებას და ლაზერები, რომლებიც ასხივებენ შორეულ ინფრაწითელ რეგიონში .

შესავალი

მეოცე საუკუნის მეორე ნახევრის ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე თვალსაჩინო მიღწევა იყო ფიზიკური ფენომენების აღმოჩენა, რომელიც დაეფუძნა ოპტიკური კვანტური გენერატორის, ანუ ლაზერის საოცარი მოწყობილობის შექმნას.

ლაზერი არის მონოქრომატული თანმიმდევრული სინათლის წყარო უაღრესად დირექტიული სინათლის სხივით.

კვანტური გენერატორები არის ელექტრონული მოწყობილობების სპეციალური კლასი, რომელიც მოიცავს ყველაზე თანამედროვე მიღწევებს მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სხვადასხვა სფეროში.

გაზის ლაზერები არის ის ლაზერები, რომლებშიც აქტიური გარემო არის აირი, რამდენიმე აირის ნარევი ან აირების ნარევი ლითონის ორთქლთან.

გაზის ლაზერები დღეს ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ლაზერის სახეობაა. სხვადასხვა ტიპის გაზის ლაზერებს შორის ყოველთვის შესაძლებელია ლაზერის პოვნა, რომელიც დააკმაყოფილებს ლაზერის თითქმის ნებისმიერ მოთხოვნას, გარდა ძალიან მაღალი სიმძლავრისა სპექტრის ხილულ რეგიონში პულსირებულ რეჟიმში.

მასალების არაწრფივი ოპტიკური თვისებების შესწავლისას მრავალი ექსპერიმენტისთვის საჭიროა მაღალი სიმძლავრეები. ამჟამად, მაღალი სიმძლავრეები არ არის მიღებული გაზის ლაზერებში იმის გამო, რომ მათში ატომების სიმკვრივე საკმარისად მაღალი არ არის. თუმცა, თითქმის ყველა სხვა მიზნისთვის, შეიძლება მოიძებნოს გაზის ლაზერის სპეციფიკური ტიპი, რომელიც აღემატება როგორც ოპტიკურად ამოტუმბულ მყარ ლაზერებს, ასევე ნახევარგამტარ ლაზერებს.

გაზის ლაზერების დიდი ჯგუფი შედგება გაზის გამომშვები ლაზერებისგან, რომლებშიც აქტიური გარემო არის იშვიათი გაზი (წნევა 1–10 მმ Hg), ხოლო ტუმბო ხორციელდება ელექტრული გამონადენით, რომელიც შეიძლება იყოს მბზინავი ან რკალი და იქმნება. პირდაპირი დენით ან მაღალი სიხშირის ალტერნატიული დენით (10 –50 MHz).

არსებობს რამდენიმე სახის გაზის გამონადენი ლაზერები. იონურ ლაზერებში გამოსხივება წარმოიქმნება იონის ენერგიის დონეებს შორის ელექტრონების გადასვლით. ამის მაგალითია არგონის ლაზერი, რომელიც იყენებს პირდაპირი დენის რკალის გამონადენს.

ატომური გარდამავალი ლაზერები წარმოიქმნება ატომური ენერგიის დონეებს შორის ელექტრონების გადასვლებით. ეს ლაზერები აწარმოებენ რადიაციას ტალღის სიგრძით 0,4-100 მკმ. ამის მაგალითია ჰელიუმ-ნეონის ლაზერი, რომელიც მუშაობს ჰელიუმისა და ნეონის ნარევზე დაახლოებით 1 მმ Hg წნევის ქვეშ. ხელოვნება. ტუმბოსთვის გამოიყენება მბზინავი გამონადენი, რომელიც იქმნება მუდმივი ძაბვისგან დაახლოებით 1000 ვ.

გაზის განმუხტვის ლაზერები ასევე მოიცავს მოლეკულურ ლაზერებს, რომლებშიც გამოსხივება წარმოიქმნება ელექტრონების გადასვლით მოლეკულების ენერგეტიკულ დონეებს შორის. ამ ლაზერებს აქვთ სიხშირის ფართო დიაპაზონი, რომელიც შეესაბამება ტალღის სიგრძეს 0.2-დან 50 მკმ-მდე.

ყველაზე გავრცელებული მოლეკულური ლაზერი არის ნახშირორჟანგი (CO 2 ლაზერი). მას შეუძლია გამოიმუშაოს სიმძლავრე 10 კვტ-მდე და აქვს საკმაოდ მაღალი ეფექტურობა დაახლოებით 40%. ძირითად ნახშირორჟანგს ჩვეულებრივ ემატება აზოტის, ჰელიუმის და სხვა გაზების მინარევები. ტუმბოსთვის გამოიყენება პირდაპირი დენი ან მაღალი სიხშირის მბზინავი გამონადენი. ნახშირორჟანგის ლაზერი აწარმოებს რადიაციას ტალღის სიგრძით დაახლოებით 10 მიკრონი.

კვანტური გენერატორების დაპროექტება ძალზე შრომატევადია მრავალი პროცესის გამო, რომელიც განსაზღვრავს მათ შესრულების მახასიათებლებს, მაგრამ ამის მიუხედავად, ნახშირორჟანგის გაზის ლაზერები გამოიყენება მრავალ სფეროში.

CO 2 ლაზერებზე დაფუძნებული, ლაზერული სახელმძღვანელო სისტემები, ლოკაციაზე დაფუძნებული გარემოს მონიტორინგის სისტემები (ლიდარები), ლაზერული შედუღების ტექნოლოგიური დანადგარები, ლითონების და დიელექტრიკული მასალების საჭრელი, შუშის ზედაპირების დაფქვისთვის და ფოლადის პროდუქტების ზედაპირის გამკვრივების დანადგარები შემუშავებულია და წარმატებით არის განვითარებული. ოპერაცია. CO2 ლაზერები ასევე ფართოდ გამოიყენება კოსმოსურ საკომუნიკაციო სისტემებში.

დისციპლინის „ოპტოელექტრონული კვანტური მოწყობილობები და მოწყობილობები“ მთავარი მიზანია ოპტიკურ საკომუნიკაციო სისტემებში გამოყენებული ყველაზე მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტებისა და მოწყობილობების ფიზიკური საფუძვლების, დიზაინის, მუშაობის პრინციპების, მახასიათებლებისა და პარამეტრების შესწავლა. მათ შორისაა კვანტური გენერატორები და გამაძლიერებლები, ოპტიკური მოდულატორები, ფოტოდეტექტორები, არაწრფივი ოპტიკური ელემენტები და მოწყობილობები, ჰოლოგრაფიული და ინტეგრირებული ოპტიკური კომპონენტები. ეს გულისხმობს ამ კურსის პროექტის თემის აქტუალურობას.

ამ კურსის პროექტის მიზანია გაზის ლაზერების აღწერა და ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის გამოთვლა.

მიზნის შესაბამისად წყდება შემდეგი ამოცანები:

კვანტური გენერატორის მუშაობის პრინციპის შესწავლა;

CO 2 ლაზერის დიზაინისა და მუშაობის პრინციპის შესწავლა;

ლაზერებთან მუშაობისას უსაფრთხოების დოკუმენტაციის შესწავლა;

CO 2 ლაზერის გაანგარიშება.

1 კვანტური გენერატორის მუშაობის პრინციპი

კვანტური გენერატორების მუშაობის პრინციპი ეფუძნება ელექტრომაგნიტური ტალღების გაძლიერებას იძულებითი (გამოწვეული) გამოსხივების ეფექტის გამოყენებით. გაძლიერება უზრუნველყოფილია შინაგანი ენერგიის განთავისუფლებით ატომების, მოლეკულების და იონების გადასვლის დროს, რომელიც სტიმულირდება გარე გამოსხივებით გარკვეული აღგზნებული ენერგიის ზედა დონიდან ქვედაზე (მდებარეობს ქვემოთ). ეს იძულებითი გადასვლები გამოწვეულია ფოტონებით. ფოტონის ენერგია შეიძლება გამოითვალოს ფორმულის გამოყენებით:

hν = E 2 - E 1,

სადაც E2 და E1 არის ზედა და ქვედა დონის ენერგიები;

h = 6,626∙10-34 J∙s - პლანკის მუდმივა;

ν = c/λ – გამოსხივების სიხშირე, c – სინათლის სიჩქარე, λ – ტალღის სიგრძე.

აგზნება, ან, როგორც ჩვეულებრივ უწოდებენ, ტუმბოს, ხორციელდება ან უშუალოდ ელექტრო ენერგიის წყაროდან, ან ოპტიკური გამოსხივების ნაკადის, ქიმიური რეაქციის ან ენერგიის რიგი სხვა წყაროების გამო.

თერმოდინამიკური წონასწორობის პირობებში ნაწილაკების ენერგიის განაწილება ცალსახად განისაზღვრება სხეულის ტემპერატურით და აღწერილია ბოლცმანის კანონით, რომლის მიხედვითაც რაც უფრო მაღალია ენერგიის დონე, მით უფრო დაბალია ნაწილაკების კონცენტრაცია მოცემულ მდგომარეობაში. რაც უფრო დაბალია მისი მოსახლეობა.

ტუმბოს გავლენის ქვეშ, რომელიც არღვევს თერმოდინამიკურ წონასწორობას, საპირისპირო სიტუაცია შეიძლება წარმოიშვას, როდესაც ზედა დონის პოპულაცია აჭარბებს ქვედა დონის პოპულაციას. ხდება მდგომარეობა, რომელსაც პოპულაციის ინვერსია ჰქვია. ამ შემთხვევაში, ზედა ენერგეტიკული დონიდან ქვედაზე იძულებითი გადასვლების რაოდენობა, რომლის დროსაც ხდება სტიმულირებული გამოსხივება, გადააჭარბებს საპირისპირო გადასვლების რაოდენობას, რომელსაც თან ახლავს საწყისი გამოსხივების შთანთქმა. ვინაიდან გამოწვეული გამოსხივების გავრცელების მიმართულება, ფაზა და პოლარიზაცია ემთხვევა ზემოქმედების გამოსხივების მიმართულებას, ფაზას და პოლარიზაციას, ხდება მისი გაძლიერების ეფექტი.

გარემოს, რომელშიც გამოსხივება შეიძლება გაძლიერდეს გამოწვეული გადასვლების გამო, ეწოდება აქტიური გარემო. მისი გამაძლიერებელი თვისებების დამახასიათებელი მთავარი პარამეტრი არის კოეფიციენტი, ანუ გაძლიერების ინდექსი kν - პარამეტრი, რომელიც განსაზღვრავს რადიაციული ნაკადის ცვლილებას ν სიხშირეზე ურთიერთქმედების სივრცის სიგრძის ერთეულზე.

აქტიური გარემოს გამაძლიერებელი თვისებები შეიძლება მნიშვნელოვნად გაიზარდოს დადებითი უკუკავშირის პრინციპის გამოყენებით, რომელიც ცნობილია რადიოფიზიკაში, როდესაც გაძლიერებული სიგნალის ნაწილი ბრუნდება აქტიურ გარემოში და ხელახლა გაძლიერდება. თუ ამ შემთხვევაში მოგება აღემატება ყველა დანაკარგს, მათ შორის, რომლებიც გამოიყენება როგორც სასარგებლო სიგნალი (სასარგებლო დანაკარგები), ხდება თვითწარმოქმნის რეჟიმი.

თვითწარმოქმნა იწყება სპონტანური გადასვლების გამოჩენით და ვითარდება გარკვეულ სტაციონარულ დონეზე, რომელიც განისაზღვრება ბალანსით მოგებასა და ზარალს შორის.

კვანტურ ელექტრონიკაში, მოცემულ ტალღის სიგრძეზე დადებითი გამოხმაურების შესაქმნელად, უპირატესად ღია რეზონატორები გამოიყენება - ორი სარკის სისტემა, რომელთაგან ერთი (ყრუ) შეიძლება იყოს სრულიად გაუმჭვირვალე, მეორე (გამომავალი) ხდება გამჭვირვალე.

ლაზერის წარმოქმნის რეგიონი შეესაბამება ელექტრომაგნიტური ტალღების ოპტიკურ დიაპაზონს, რის გამოც ლაზერულ რეზონატორებს ასევე უწოდებენ ოპტიკურ რეზონატორებს.

ზემოაღნიშნული ელემენტებით ლაზერის ტიპიური ფუნქციონალური დიაგრამა ნაჩვენებია სურათზე 1.

გაზის ლაზერის დიზაინის სავალდებულო ელემენტი უნდა იყოს ჭურვი (გაზის გამონადენი მილი), რომლის მოცულობაში არის გარკვეული შემადგენლობის გაზი მოცემულ წნევაზე. გარსის ბოლო მხარეები დაფარულია ლაზერული გამოსხივებისთვის გამჭვირვალე მასალისგან დამზადებული ფანჯრებით. მოწყობილობის ამ ფუნქციურ ნაწილს აქტიური ელემენტი ეწოდება. მათი ზედაპირიდან ასახვის შედეგად დანაკარგების შესამცირებლად, ფანჯრები დამონტაჟებულია ბრუსტერის კუთხით. ასეთ მოწყობილობებში ლაზერული გამოსხივება ყოველთვის პოლარიზებულია.

აქტიურ ელემენტს, აქტიური ელემენტის გარეთ დაყენებულ რეზონატორ სარკეებთან ერთად, ემიტერი ეწოდება. ვარიანტი შესაძლებელია, როდესაც რეზონატორის სარკეები ფიქსირდება უშუალოდ აქტიური ელემენტის გარსის ბოლოებზე, ერთდროულად ასრულებენ ფანჯრების ფუნქციას გაზის მოცულობის დალუქვისთვის (ლაზერი შიდა სარკეებით).

აქტიური გარემოს მომატების დამოკიდებულება სიხშირეზე (მომატების წრე) განისაზღვრება სამუშაო კვანტური გადასვლის სპექტრული ხაზის ფორმით. ლაზერის გამომუშავება ხდება მხოლოდ ისეთ სიხშირეებზე ამ წრეში, სადაც ნახევარტალღების მთელი რიცხვი ჯდება სარკეებს შორის სივრცეში. ამ შემთხვევაში რეზონატორში წინ და უკანა ტალღების ჩარევის შედეგად წარმოიქმნება ე.წ მდგარი ტალღები სარკეებზე ენერგეტიკული კვანძებით.

რეზონატორში მდგარი ტალღების ელექტრომაგნიტური ველის სტრუქტურა შეიძლება იყოს ძალიან მრავალფეროვანი. მის სპეციფიკურ კონფიგურაციებს ჩვეულებრივ რეჟიმებს უწოდებენ. რხევებს სხვადასხვა სიხშირით, მაგრამ ველის ერთნაირი განაწილებით განივი მიმართულებით ეწოდება გრძივი (ან ღერძული) რეჟიმები. ისინი დაკავშირებულია ტალღებთან, რომლებიც ავრცელებენ მკაცრად რეზონატორის ღერძის გასწვრივ. რხევები, რომლებიც განსხვავდებიან ერთმანეთისგან ველის განაწილებით განივი მიმართულებით, შესაბამისად, განივი (ან არაღერძული) რეჟიმებში. ისინი დაკავშირებულია ტალღებთან, რომლებიც ვრცელდება ღერძის მიმართ სხვადასხვა მცირე კუთხით და შესაბამისად აქვთ ტალღის ვექტორის განივი კომპონენტი. შემდეგი აბრევიატურა გამოიყენება სხვადასხვა რეჟიმის აღსანიშნავად: TEMmn. ამ აღნიშვნით, m და n არის ინდექსები, რომლებიც აჩვენებენ სარკეებზე ველის ცვლილების პერიოდულობას განივი მიმართულებით სხვადასხვა კოორდინატებზე. თუ ლაზერული მუშაობის დროს წარმოიქმნება მხოლოდ ფუნდამენტური (ყველაზე დაბალი) რეჟიმი, ჩვენ ვსაუბრობთ ერთრეჟიმზე მუშაობის რეჟიმში. როდესაც არსებობს რამდენიმე განივი რეჟიმი, რეჟიმს ეწოდება მულტიმოდი. ერთრეჟიმზე მუშაობისას, გენერირება შესაძლებელია რამდენიმე სიხშირეზე გრძივი რეჟიმის სხვადასხვა რაოდენობით. თუ ლაზინგი ხდება მხოლოდ ერთ გრძივი რეჟიმში, ჩვენ ვსაუბრობთ ერთ სიხშირის რეჟიმზე.

სურათი 1 - გაზის ლაზერული დიაგრამა.

ფიგურაში გამოყენებულია შემდეგი აღნიშვნები:

1. ოპტიკური რეზონატორის სარკეები;
2. ოპტიკური რეზონატორის ფანჯრები;
3. ელექტროდები;
4. გაზის გამონადენი მილი.

2 CO 2 ლაზერის დიზაინი და მუშაობის პრინციპი

CO 2 ლაზერული მოწყობილობა სქემატურად ნაჩვენებია სურათზე 2.

სურათი 2 - CO2 ლაზერის პრინციპი.

CO 2 ლაზერების ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ტიპია გაზის დინამიური ლაზერები. მათში ლაზერული გამოსხივებისთვის საჭირო ინვერსიული პოპულაცია მიიღწევა იმის გამო, რომ გაზი წინასწარ თბება 1500 კ-მდე 20-30 ატმ წნევით. , შედის სამუშაო პალატაში, სადაც ფართოვდება და მისი ტემპერატურა და წნევა მკვეთრად ეცემა. ასეთ ლაზერებს შეუძლიათ წარმოქმნან უწყვეტი გამოსხივება 100 კვტ-მდე სიმძლავრით.

CO 2 ლაზერების აქტიური საშუალების შესაქმნელად (როგორც ამბობენ, "ტუმბო") ყველაზე ხშირად გამოიყენება პირდაპირი დენის მბზინავი გამონადენი. ბოლო დროს სულ უფრო ხშირად გამოიყენება მაღალი სიხშირის გამონადენი. მაგრამ ეს ცალკე თემაა. მაღალი სიხშირის გამონადენი და ყველაზე მნიშვნელოვანი აპლიკაციები, რაც მან აღმოაჩინა ჩვენს დროში (არა მხოლოდ ლაზერული ტექნოლოგიაში) ცალკე სტატიის თემაა. ელექტრული გამონადენი CO 2 ლაზერების მუშაობის ზოგადი პრინციპების, ამ შემთხვევაში წარმოქმნილი პრობლემებისა და პირდაპირი დენის გამონადენის გამოყენებაზე დაფუძნებული ზოგიერთი დიზაინის შესახებ.

70-იანი წლების დასაწყისში, მაღალი სიმძლავრის CO 2 ლაზერების შემუშავებისას, ცხადი გახდა, რომ გამონადენი ხასიათდებოდა აქამდე უცნობი მახასიათებლებით და არასტაბილურობით, რომლებიც დამანგრეველი იყო ლაზერებისთვის. ისინი თითქმის გადაულახავ დაბრკოლებებს უქმნიან ამაღლებული წნევით დიდი მოცულობის პლაზმით შევსების მცდელობებს, რაც ზუსტად არის საჭირო ლაზერის მაღალი სიმძლავრის მისაღებად. შესაძლოა, არც ერთი გამოყენებითი ხასიათის პრობლემა ბოლო ათწლეულების განმავლობაში არ ემსახურებოდა აირებში ელექტრული განმუხტვის მეცნიერების პროგრესს ისე, როგორც მაღალი სიმძლავრის უწყვეტი ტალღის CO 2 ლაზერების შექმნის პრობლემა.

განვიხილოთ CO 2 ლაზერის მუშაობის პრინციპი.

თითქმის ნებისმიერი ლაზერის აქტიური გარემო არის ნივთიერება, რომელშიც ინვერსიული პოპულაცია შეიძლება შეიქმნას გარკვეულ მოლეკულებში ან ატომებში გარკვეული დონის წყვილში. ეს ნიშნავს, რომ ზედა კვანტურ მდგომარეობაში მყოფი მოლეკულების რაოდენობა, რომელიც შეესაბამება რადიაციული ლაზერული გადასვლას, აღემატება ქვედა ნაწილში მოლეკულების რაოდენობას. ჩვეულებრივი სიტუაციისგან განსხვავებით, ასეთ გარემოში გამავალი სინათლის სხივი არ შეიწოვება, მაგრამ ძლიერდება, რაც ხსნის რადიაციის წარმოქმნის შესაძლებლობას.

თქვენი კარგი ნამუშევრების ცოდნის ბაზაზე წარდგენა მარტივია. გამოიყენეთ ქვემოთ მოცემული ფორმა

სტუდენტები, კურსდამთავრებულები, ახალგაზრდა მეცნიერები, რომლებიც იყენებენ ცოდნის ბაზას სწავლასა და მუშაობაში, ძალიან მადლობლები იქნებიან თქვენი.

მსგავსი დოკუმენტები

ელექტრომაგნიტური ენერგიის პულსის გავრცელება სინათლის გიდის გასწვრივ. ინტერმოდური დისპერსია მრავალმოდურ ბოჭკოებში. შიდა რეჟიმის დისპერსიის განსაზღვრა. მასალისა და ტალღის დისპერსია ერთრეჟიმიან ბოჭკოვანი სინათლის სახელმძღვანელოში. ნულოვანი დისპერსიის ტალღის სიგრძე.

ტესტი, დამატებულია 05/18/2011


საინექციო სატუმბი მექანიზმი. მიკერძოების ძაბვის სიდიდე. ნახევარგამტარული ლაზერების ძირითადი მახასიათებლები და მათი ჯგუფები. ნახევარგამტარული ლაზერის ტიპიური ემისიის სპექტრი. ზღვრული დენების მნიშვნელობები. ლაზერული გამოსხივების სიმძლავრე პულსირებულ რეჟიმში.

პრეზენტაცია, დამატებულია 19/02/2014


ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სისტემის (FOLS) რეგენერაციული მონაკვეთის სიგრძის გამოთვლა ინფორმაციის გადაცემისთვის სისტემის ენერგეტიკული პოტენციალის მოცემული პარამეტრების მიხედვით და დისპერსიის ბოჭკოვანი სინათლის გიდებში. ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზების სიჩქარის შეფასება. გამტარუნარიანობის განსაზღვრა.

ტესტი, დამატებულია 05/29/2014


ერბიუმის ოპტიკური სიგნალის გამაძლიერებლები. ბოჭკოვანი გამაძლიერებლების პარამეტრები. სიგნალის გამომავალი სიმძლავრე და ტუმბოს ენერგოეფექტურობა. მოგების ზოლის სიგანე და ერთგვაროვნება. ნახევარგამტარული ტუმბოს ლაზერი "LATUS-K". ტუმბოს ლაზერული დიზაინი.

ნაშრომი, დამატებულია 24/12/2015


პროექტის განვითარების ეტაპები და განხორციელების პერსპექტივები ორგანული მასალების დასამუშავებლად განკუთვნილი ნახევარგამტარული ლაზერის საფუძველზე დაბალფასიანი ლაზერული კომპლექსის შესაქმნელად. ფოტოდეტექტორის ძირითადი პარამეტრების და მახასიათებლების შესწავლა.

კურსის სამუშაო, დამატებულია 07/15/2015


მესამე და მეხუთე ჯგუფების ნაერთებზე დაფუძნებული ნახევარგამტარული ლაზერული სტრუქტურის გამოთვლა მესამე თაობის ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზებისთვის. კრისტალური სტრუქტურის არჩევანი. პარამეტრების გაანგარიშება, DFB რეზონატორი, შიდა კვანტური გამომავალი, ოპტიკური შეზღუდვა.

კურსის სამუშაო, დამატებულია 11/05/2015


ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კაბელის დაყენება SDH სინქრონული ციფრული იერარქიის (SDH) აღჭურვილობის გამოყენებით, კომპაქტური K-60p სისტემის ნაცვლად, Dzhetygara - Komsomolets მონაკვეთზე. ნახევარგამტარული ლაზერის მაქსიმალური დასაშვები გამოსხივების დონის გაანგარიშება.

ნაშრომი, დამატებულია 11/06/2014


სიბრტყის ტალღის სიხშირე ორ მედიას შორის ინტერფეისზე, ტალღის წინაღობის და ველის კომპონენტების თანაფარდობა. პოლარიზებული ტალღების გავრცელება ლითონის ბოჭკოში, მათი შეღწევადობის სიღრმის გამოთვლა. ველის განსაზღვრა დიელექტრიკული სინათლის სახელმძღვანელოს შიგნით.

კურსის სამუშაო, დამატებულია 06/07/2011