Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Источники излучения для волоконно-оптических линий связи: Учебно-методическое пособие

Голосов: 3

Цель данного пособия - изучение строения и принципов действия когерентных излучателей волоконно-оптических линий связи, экспериментальное исследование параметров полупроводниковых лазеров. Пособие подготовлено на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета Воронежского государственного университета. Рекомендуется для студентов 4-го и 5-го курсов дневного отделения физического факультета кафедры оптики и спектроскопии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    М и ни сте р ство
 о б р а зо ва ни я
  Р о сси йско й
  Ф е де р а ц и и


                          В О Р О НЕ Ж С К И Й ГО С У Д А Р С Т В Е ННЫ Й

                                         УНИ В Е Р С И Т Е Т




                      И С Т О Ч НИ К И И З Л УЧ Е НИ Я Д Л Я В О Л О К О ННО -
                            О П ТИ Ч Е С К И Х Л И НИ Й С В Я З И




                                              П о бие
                                                 со

                                С п ец л ьн о с т ь "Ф изика " (010400)
                                      иа




В О РО НЕ Ж 2004


                                                 2



       У т в е рж де но науч но-ме т одич е ск Сов е т ом физ е ск о фак т е т а 1
                                              им             ич   ог    уль
апре ля 2004 г    ода, п ок № 4.
                        рот ол




                          Сост ав ит е ли: И.В . Кав е ц ая
                                                        к
                                           А.Н. Л ат ыш е в
                                           Л .Ю . Л е онов а
                                           В .А. Ш уль  гин




      Пособ п от ов ле но на к дре оп ик и спе кроск ии физ е ск о
             ие одг               афе        т и            т    оп    ич      ог
фак т е т а В ороне ж ск о г
   уль                  ог осударст в е нного унив е рсит е т а.
      Ре к ндуе т ся для ст уде нт ов 4-г и 5-г к
          оме                             о        о урсов дне в ного от де ле ния
физ е ск фак т е т а к дры оп ик и сп кроск ии.
   ич    ого     уль      афе        т и       е т      оп

       Ра бо т а     вы п о л н ен а  п р и п о ддер ж ке гр а н т а   Ф о н да   Д она
                                                                                   ж      Д.   и
Кэт р ин Т. М а ка р т у о в (гр а н т № 02-75771-000-GSS).
                        р


                                                            3
         1. В вед и е
                 ен
           Для п ре дач и сооб ний св е т исп з ался з
                     е                    ще                       оль ов              адолг до т ог к б
                                                                                                о           о, ак ыл
из ре т е н т е ле фон, однак э ффе к ив ное исп з ание оп ич е ск о к
    об                                      о            т                 оль ов                 т         ог анала
св я з ст ало в оз
       и                   мож ным в ре з т ат е соз
                                                уль                 дания сов ре ме нной э ле ме нт ной б ы              аз
в олок     онно-оп ич е ск сист е м п ре дач и (В О СП).
                        т          их             е
           Э не рг св е т ов ых в олн с длиной в олны в диап оне 800 – 1600 нм мож е т
                     ия                                                             аз
б ь п ре дана п
  ыт           е                   о оп ич е ск
                                           т         ому в олок         ну, к орое в е де т се б к
                                                                                   от                              я      ак
диэ ле крич е ск в олнов од. На из от ов ле ние оп ич е ск в олок идут к арц
            т             ий                           г                     т          их             он             в     ,
многок оне нт ные ст е к п
             омп                          ла, олиме ры. В т ре х п          олосах сп кра с ц нт раль
                                                                                            е т           е          ными
длинам и в олн 850, 1300 и 1550 нм п е ри св е т ов ой э не рг не з ит е ль Э т и
                                                         от                               ии        нач           ны.
п олосы наз аю т ся ок ыв                нами п рач ност и. В оп ич е ск
                                                     роз                             т          ом к е ле мож но
                                                                                                         аб
п ст ит ь м ного в олок
  оме                                    он; он ле гок и удобн в об        е              раще нии. Коге ре нт ное
э ле кромаг ное к б
       т            нит             оле ание на не ск к п дк раз инуло границ
                                                                 оль о оря ов                     дв                       ы
п риме ня е мог в т е х ник св я з диапаз
                       о                е        и               она ч аст от . О п им ист ич е ск расч е т ы
                                                                                        т                   ие
е дв а ли мож но б           ыло оп е рг ь длины в олн оп ич е ск о диап она ок 1
                                       ров нут :                                 т          ог           аз           оло
                                                    14
мк соот в е т ст в ую т ч аст от е 3⋅10 Г ц Е сли п
    м                                                       .           риня т ь лиш ь 1% э т ого з е ния в    нач
к е ст в е ш ирины п
  ач                                олосы сигнала, к орыми мож но модулиров ат ь данное
                                                                от
к б
  оле ание , т о п              олуч им з е ние 3000 Г Г ц Э т о соот в е т ст в ов ало б
                                               нач                             .                                           ы
п лиз е ль
  риб ит                но миллиарду т е ле фонных                           раз ов оров
                                                                                   г                или м иллиону
т е ле в из   ионных п          рограмм, к орые мож но б
                                                 от                               ыло б п ре дат ь одним
                                                                                             ы       е
е динст в е нным св е т ов ым луч ом! При оц нк э к                    е е          ономич е ск в ыг  ой          оды от
п риме не ния оп ич е ск в олок для св я з на б ш ие расст оя ния сле дуе т
                           т         их           он                  и           оль
срав нит ь п е ри мощност и в оп ич е ск в олок ~ 0,2 – 0.3 дБ/к и на т ри
                    от                              т           ом           не                             м
п дк б ш ие п е ри в в ысок ач е ст в е нном к сиаль
  оря а оль                         от                      ок                         оак           ном к е ле на
                                                                                                               аб
ч аст от ах , не п в ышаю щих 100 М Г ц Пе ре дач а информац п оп ич е ск
                          ре                                  .                                 ии о         т           ому
в олок мож е т б ь осуще ст в ле на на расст оя ния ~ 100 к бзре т рансля т оров
           ну                 ыт                                                             м е
п ри ск       орост и п ре дач и св ыш е 1 Тб /с. Для к сиаль о к е ля э т о
                              е                                  ит                 оак           ног        аб
расст оя ние не п в ышае т 1 – 2 к п суще ст в е нно ме нь е й п уск
                              ре                           м ри                                     ш        роп ной
способ      ност и. Дав но уж е п           ройде н руб ж , к е       огда э к    ономич е ск б е в ыгодной
                                                                                                  и оле
ст ала п ладк в олок
              рок а                    онно-оп ич е ск линий п ре дач и, и они п т ич е ск
                                                  т           их                е                           рак            и
п олност ь в ыт е снили п одные сист е мы на магист раль
                ю                      ров                                                ных линия х св я з       и.
           В т орой в аж не йш ий э ле ме нт В О СП – сов ре ме нные п                           олуп одник ые
                                                                                                        ров           ов
к ре нт ные из ат е ли (лаз ры) п ре ч исле нных диап онов длин в олн.
  оге                      луч                е        е                              аз
           Тре т ь сост ав ля ю щая В О СП – оп ич е ск
                     я                                                   т          ие к ант ов о-э ле к ронные
                                                                                             в                  т
фот оде т е к оры, пре об ую щие кант ы св е т а (фот оны) в п ок э ле кронов
                  т                   раз              в                                            от             т
(э ле к рич е ск т ок
         т             ий        ).
           Пе ре ч исле ние э ле ме нт ной б ы в олок      аз              онно-оп ич е ск линий св я з
                                                                                        т          их                       и
(В О Л С) б т не п  уде             олным б з уп инания об оп ич е ск
                                                 е            ом                          т          их усилит е ля х ,
уст ройст в ах сое дине ния и к ут ац опт ич е ск в олок
                                                 омм            ии                 их              он, э ле к ронных
                                                                                                                т
уст ройст в об сп ч ив аю щих раб у В О Л С и др.
                       е е                        от
           Ц е ль данной раб ы – из е ние ст рое ния и п
                                         от              уч                                    ринц ов де йст в ия
                                                                                                       ип
к ре нт ных
  оге                          из ат е ле й
                                  луч                  в олок     онно-опт ич е ск      их          линий            св я зи,
э к е риме нт аль
    сп                     ное иссле дов ание п               араме т ров полуп одник ых лаз ров
                                                                                         ров            ов             е
(уг ой расх одимост и, мощност и, оп де ле ние длины в олны из е ния ,
     лов                                                           ре                                           луч
ст е п ни п риз ии в ых одного из е ния и других .)
       е         оля         ац                        луч


                                                  4
      2. Т еор ет и ч еская ч аст ь
      2.1. О бщ и е п р и н п ы р абот ы лазер а
                           ци
         Слов о « лаз р» я в ля е т ся аб ре в иат урой английск
                      е                    б                          ой фраз « Light
                                                                                 ы
Amplification by Stimulated Emission of Radiation», ч т о оз ае т « усиле ние св е т а
                                                                 нач
ст имулиров ание м из е ния ». О т к ие лаз рног э ффе к а на рубж е 50-х и
                         луч              рыт        е    о         т          е
60-х годов ст ало одним из наиб е з ит е ль
                                       оле нач         ных от к ий дв адц ог в е к
                                                               рыт             ат о       а.
О т других ист оч ник лаз ры от лич аю т ся б ш е й нап ле нност ь и
                            ов     е                     оль            рав             ю
к ре нт ност ь из е ния .
  оге            ю луч
         Рассмот рим п  ринц раб ы лаз ра. На рис. 1 п аз
                               ип    от       е                ок аны о сно в й (Е 1) и
                                                                                 но
в збу д ё нны й (Е 2) уров ни ат ома. Ист оч ник в оз уж де ния не име е т
  о     ж                                                         б
п ринц    ипиаль о з е ния ; им мож е т служ ит ь наг в , э ле крич е ск т ок
                ног нач                                       ре         т          ий      ,
раз д, радиац
     ря           ионное или х имич е ск в оз йст в ие , а т ак е э ле к ромаг ное
                                           ое     де               ж        т        нит
из е ние . При в оз уж де нии э ле кроны п ре х одя т в сост оя ние с э не рг й Е 2
    луч                 б                т        е                                  ие
рис. 1а. В оз раще ние в исх одное сост оя ние мож е т соп ож дат ь
                   в                                                          ров         ся
испуск    ание м кант а св е т а. О б ное (в ч аст ност и, т е плов ое ) из е ние т е л
                  в                   ыч                                      луч
(нап  риме р, нит и э ле крич е ск лам п к сост оит из к ант ов с э не ргие й hν21,
                          т       ой        оч и)                в
испуск мых при спо нт анны х п ре х одах ат омов (моле к
          ае                                е                              ул) т е ла из
в оз уж дё нного в основ ное сост оя ние рис. 1б.
     б



       Е   2


                                                                      hν21
                    hν 12
       Е   1                                                          hν21

               а)
                                                                б)

                            Е   2


                                                              hν21
                                      hν21
                            Е   1
                                                               hν21

                                      в)
          Рис. 1. О снов ные проц ссы в в е ще ст в е при в з
                                    е                        аимоде йст в ии с из е ние м:
                                                                                 луч
       а – сх е ма в оз уж де ния ат ома; б – сх е ма сп анного пе ре х ода; в– сх е ма
                       б                                онт
                                  в ынуж де нных п ре х одов .
                                                     е

       Сре дне е ч исло ат омов , сов е рш аю щих сп анные п ре х оды с уров ня 2 на
                                                    онт     е
уров е нь1 в е диниц в ре ме ни в е диниц об ма,
                      у                      е  ъе
                                                 dN 2
                                             −          = A21N 2 ,
                                                  dt


                                               5
г А12 – в е роя т ност ь сп анног п ре х ода. При к дом сп анном п ре х оде
 де                        онт   о е               аж     онт     е
из ае т ся фот он с э не ргие й:
  луч
                                            hν21 = E2 – E1.
     О т сю да сле дуе т , ч т о мощност ь сп анног из е ния е диниц об ма,
                                             онт   о луч            ы ъе
обуслов ле нног п ре х одом 2 → 1,
               о е
                                            dN2
                                      P =
                                       cn       h 21 = A21N2h 21 .
                                                 ν           ν
                                             dt
        Так  им об ом, мощност ь сп анного из е ния п орц
                      раз                        онт              луч          роп иональ     но
насе ле нност и в е рх не г издв ух рассмат рив ае м ых уров не й. Э ффе к сп анног
                             о                                                     т онт       о
из е ния исп з т ся в ш ирок расп
    луч             оль уе                 о      рост ране нных ист оч ник из е ния для
                                                                              ах луч
В О СП – в п    олуп одник ых св е т одиодах .
                       ров        ов
        Сп анное из е ние не нап ле нно, фаз и ч аст от ы от де ль
            онт              луч                рав                ы                         ных
к ант ов случ айны. При расп
  в                                    рост ране нии св е т ов ой в олны в рассмат рив ае мой
сре де происх одит п       оглоще ние к ант ов hν12 , в сле дст в ие ч е г ат омы п ре х одя т
                                           в                               о            е
из сост оя ния с э не рг й Е 1 в сост оя ние с э не ргие й Е 2 . Ч исло т ак п ре х одов
                            ие                                                      их е
  роп иональ ρ(ν)N1 , где ρ(ν) – сп краль
п орц                но                            е т     ная п ност ь из е ния , а N1 –
                                                                  лот           луч
к е нт рац ат омов , нах одя щих ся на уров не Е 1 (насе нно ст ь у в
  онц          ия                                                          лё             ро ня).
О днак суще ст в уе т е щё один т ип п ре х одов , п дск анный в св оё в ре мя
         о                                       е              ре    аз
Э йнш т е йном, - в ну д е е (индуц
                         ы ж      нны            иров анные ) п ре х оды (рис. 1в В э т ом
                                                                  е                    ).
случ ае ат омы, нах одя щие ся на в е рх не м э не рге т ич е ск        ом уров не Е 2, п     од
де йст в ие м к ант ов hν21 в ынуж де нно п ре х одя т на уров е нь Е 1. Ч исло т ак
                  в                                 е                                         их
п ре х одов проп иональ ρ(ν)N2, г N2 – к е нт рац в оз уж дё нных
  е                    орц          но              де          онц         ия        б
ат омов на уров не Е 2.
        В е роя т ност и т ак    их     п ре х одов
                                         е             пропорц   иональ  ны инт е нсив ност и
п адаю ще го из е ния и одинак ы для об
                     луч                     ов          оих в идов п ре х одов 1 → 2 и
                                                                         е
2 → 1. Изк ант ов ой ме х аник из е ст но, ч т о в е роя т ност и э т их п ре х одов W12 и
                в                      и в                                       е
W21 для плоск монох ромат ич е ск в олны оп де ля ю т ся к :
                    ой                       ой           ре             ак

                                                   c 2 A21
                                 W12 = W21 =                     q (ν ) Iν ,
                                               8 πh ν n  3 2


г n - п аз е ль п ломле ния сре ды Iν - инт е нсив ност ьв олны, п одя щая ся
 де      ок ат        ре                                               рих
на е динич ный сп краль
                  е т     ный инт е рв ал, q(ν) - функ ия , описыв аю щая уш ире ние
                                                       ц
линии.
       М ощност ь п
                 , оглощае мая в е диниц об ма в е ще ст в а в ре з т ат е
                                               е     ъе                     уль
индуц  иров анных п ре х одов 1 → 2,
                    е
                                          Pпо г = N1W12 hν ,
                                               л

а мощност ь из ае мая п
            ,    луч     ри п ре х одах
                             е                               2   → 1           з сч е т
                                                                                а         п е ссов
                                                                                           роц
индуциров анног исп ания
               о     уск
                                          Pизл = N 2W21hν .


                                                    6
     Е сли рассмат рив ае мая плоск в олна расп
                                       ая                 рост раня е т ся в нап ле нии z,
                                                                                рав
из не ние е е инт е нсив ност и на длине dz б т
  ме                                             уде
                                 dI ( z) =( Pзл − P г ) dz =−α(ν ) Iνdz,
                                             и     по л                                (*)
                          c 2 A21
г α (ν ) = ( N1 − N 2 )
 де                                q (ν ) - к ффиц нт п лоще ния (з ух ания ).
                                             оэ   ие   ог          ат
                       8 π h ν 3n2
       Ре ш е ние урав не ния (*) име е т в ид:
                                                                  −α (ν ) z
                                          Iν ( z ) = Iν ( 0 ) e               .
        При N1 > N2 к ффиц нт α(ν) > 0 и инт е нсив ност ь в олны
                                   оэ       ие
э к оне нц
   сп        иаль з ух ае т п расп
                    но ат              ри          рост ране нии в в е ще ст в е . При т е плов ом
рав нов е сии N1 в се г б ш е , ч е м N2, и в е ст е ст в е нном (не в оз уж де нном)
                            да оль                                                         б
сост оя нии ре з     онансное в з     аимоде йст в ие св е т а с в е ще ст в ом п одит к    рив
п оглоще нию . При N2 > N1 в е лич ина α(ν) < 0 и име е т ме ст о э к оне нц           сп        иаль  ное
усиле ние инт е нсив ност и св е т а. Так сост оя ние сист е м ы наз аю т сост оя ние м
                                               ое                                ыв
с инв е рсной насе ле нност ь . В э т ом случ ае в в одит ся к ффиц нт усиле ния
                                    ю                                       оэ          ие
 g = −α .
        Так об ом, в ре з т ат е п ре х одов Е 1 → Е 2 в олна т е ря е т э не ргию ,
            им       раз             уль          е
ослаб е т ся . В ре з т ат е ж е п ре х одов Е 2 → Е 1 св е т ов ая в олна усилив ае т ся .
       ля                 уль             е
Ре з т ирую ще е из не ние э не ргии св е т ов ой в олны оп де ля е т ся раз
     уль                    ме                                              ре                    ност ью
N2 – N1. В услов ия х т е рмодинам ич е ск о рав нов е сия насе лё нност ь ниж не г
                                                      ог                                                  о
уров ня N1 в се г б ш е насе лё нност и в е рх не г N2 , п т ому в олна т е ря е т
                      да оль                                       о         оэ
б ше э не рг ч е м п
  оль             ии,          риоб т ае т , т .е . име е т ме ст о п лоще ние св е т а.
                                    ре                               ог
        О днак в оз
               о         мож но соз ь услов ия , к да на уров не Е 2 ок ыв ае т ся
                                       дат                    ог                             аз
б ше ат омов , ч е м на уров не Е 1 (N2 > N1). Так сост оя ние наз ае т ся
  оль                                                                   ое                       ыв
инв рсие насе нно ст е уров не й. При э т ом в ынуж де нные п ре х оды Е 2 → Е 1
     е     й         лё           й                                                 е
п об
  ре ладаю т и п ав ля ю т в св е т ов ую в олну б ш е э не рг
                        ост                                     оль              ии, ч е м т е ря е т ся в
ре з т ат е п ре х одов Е 1 → Е 2 , п
     уль        е                          роисх одит усиле ние св е т ов ой в олны.
        Из ае мые в ре з т ат е в ынуж де нных п ре х одов к ант ы п ч аст от е ν,
           луч                   уль                             е             в           о
нап ле нию расп
     рав                 рост ране ния , п риз ии и фаз т ож де ст в е нны п рв ич ной
                                            оля       ац             е                        е
в олне и, сле дов ат е ль      но, к е ре нт ны, не з исимо от т ог к им об ом
                                      ог                   ав                    о, ак             раз
п роисх одило в оз уж де ние ат омов на уров е нь Е 2. Сре ду с инв е рсие й
                         б
насе лё нност е й к ой-либ п
                       ак          о ары э не рге т ич е ск уров не й Е 1 и Е 2, сп
                                                               их                               особ  ную
усилив ат ьиз е ние ч аст от ы ν = (Е 2 - Е 1)/h, наз аю т ак ив й
                 луч                                            ыв         т но .
        Сп анное из е ние в оз уж дё нног ат ома, п ж де ч е м в ыйт и из
           онт                луч            б              о              ре
ак ив ной сре ды, мож е т
   т                                     в ыз ат ь в ынуж де нные
                                             ыв                                  п ре х оды других
                                                                                  е
в оз уж дё нных ат омов и, в сле дст в ие э т ог усилив ат ь . Поск к усиле ние
     б                                                   о,              ся            оль у
з исит от пут и, п одимого в олной в сре де , для ув е лич е ния усиле ния
  ав                         рох
п риме ня ю т оп ич е ск об ную св я з , в оз ращая св е т з рк
                   т         ую     рат              ь       в                 е алам и об но в  рат
ак ив ную сре ду. Так
   т                           ую сист е му з рк наз аю т ре нат о ро м. Приме р
                                                    е ал        ыв            зо
п рост е йш е г и наиб е ч аст о приме ня е мого ре з
               о              оле                                      онат ора – инт е рфе роме т р
Ф аб – Пе ро (рис. 2).
      ри
        Изрисунк в идно, ч т о в наиб е б оп т ные услов ия п адае т в олна,
                      а                       оле лаг рия                               оп
расп  рост раня ю щая ся в доль оси инт е рфе роме т ра. У силив ая сь она дост иг т  ,                не


                                                   7
з рк
 е ала, от раз ся от не го и п
               ит               ойдё т в об ном направ ле нии, п
                                           рат                  родолж ая
усилив ат ь , з е м п е сс п т орит ся .
           ся ат     роц    ов




              Рис. 2. Сх е ма и принц де йст в ия п
                                     ип            лоск аралле ль о ре з
                                                       оп        ног    онат ора.

        При к дом п оде ме ж ду з рк
                    аж            рох                      е алам и инт е нсив ност ь в олны
                              gL
ув е лич ив ае т ся в (exp) раз г g – к э ф ф ициент у
                                       , де         о                 силе ния, а L – длина пут и
в олны в акив ной сре де . Е сли усиле ние на длине L б ш е пот е рь
                  т                                                                  оль               ,
испыт ыв ае м ых в олной п от раж е нии и рассе я нии, т о с к дым прох одом она
                                  ри                                        аж
б т усилив ат ь в сё б ше и б ше , п а плот ност ь е ё э не рг ρ(ν) не
  уде                   ся         оль           оль         ок                           ии
дост иг т п де ль
         не ре             ного з е ния , к орое об
                                  нач          от            услов ле но рав е нст в ом в ыде ля е мой
в ре з т ат е в ынуж де нных п ре х одов мощност и и мощност и в оз уж де ния
        уль                                е                                               б
(нак и).
      ачк
        В з нут ых оп ич е ск ре з
             амк                т         их       онат орах , п риме ром к орых и служ ит
                                                                                от
инт е рфе роме т р Ф аб        ри–Пе ро, могут           в оз уж дат ь
                                                              б         ся т оль о не к орые
                                                                                     к         от
оп де лё нные т ип э ле кромаг ных к б
   ре                       ы       т         нит         оле аний, наз ае м ые мо д ами. В
                                                                            ыв
физ е ск см ысле моду мож но ох араке риз ат ь к ст е пе нь св об
     ич     ом                                             т     ов        ак                      оды,
п в оля ю щую , е сли в ып
  оз                                    олня ю т ся услов ия ре з      онанса, осуще ст в ля т ь     ся
к б е ль у п е ссу. Для рассмат рив ае мого случ ая э т о плоск в олны,
  оле ат      ном         роц                                                              ие
расп  рост раня ю щие ся в доль оси ре з         онат ора. При в ых оде из ре з      онат ора з сч е т
                                                                                                 а
дифрак ии наб дае т ся расх одя щийся п ок Те ле сный уг ∆Ω, в к ором
          ц           лю                                уч .                    ол             от
                                                                       2
сосре дот оч е н п окиз е ния , п орц
                      от       луч           роп ионале н (λ/D) , г D – диаме т р з рк
                                                                          де                     е ал.
Для λ ~ 1 мк и D = 1 см в е лич ина ∆Ω ≈ 10 , ч т о п
                 м                                        -8
                                                                    ринц  ипиаль не дост иж имо
                                                                                    но
для других ист оч ник из е ния .
                             ов луч
        О п ич е ск ре з
           т          ий      онат ор нак    ладыв ае т ог ранич е ния на спе краль
                                                                                  т      ный сост ав .
При з    аданной длине ре з           онат ора L в нё м в оз уж даю т ся ст оя ч ие в олны,
                                                                    б
об ую щие ся п от раж е нии из е ния от з рк Рассмот рим п
   раз                 ри                    луч             е ал.                    лоск в олну,
                                                                                           ую
к орая расп
  от              рост раня е т ся ме ж ду дв умя п    аралле ль  ными плоск     ими з рк
                                                                                        е алам и п    о
нормали к ним . В олна, в ыш е дш ая из к ой-либ т оч к и в оз рат ив ш ие ся
                                                         ак         о       и          в
об но, от раз ш исьв к дом изз рк п одит пут ь2L. Полное из не ние
   рат               ив            аж            е ал, рох                                    ме
фаз п э т ом б т
     ы ри              уде
                                                       2π
                                               ∆ϕ =       2L .
                                                        λ
       Для т ог ч т об в олна усилив алась не об одимо, ч т об в олна и е ё
                 о       ы                     ,     х            ы
от раж е ние нах одились в фаз в т оч ност и до в е лич ины к ной 2π, т .е .
                                   е                            рат
∆ϕ = 2πq, где q - модов ое ч исло. В э т ом случ ае э ле к рич е ск поля
                                                                т     ие
ск ладыв аю т ся в фаз , и суммарной п ност и э не ргии э ле крич е ск о поля
                       е                  лот                  т      ог
дост ат оч но, ч т об в ыз ат ь ст им улиров анное из е ние на данной ч аст от е .
                     ы     в                         луч


                                             8
Так об ом, из п е де нног в ыш е сле дуе т , ч т о модов ое ч исло q з
    им раз         рив   о                                            адае т ся
ч ислом полув олн:
                                         q = 2 Ln / λ0 ,                                     (1)
г n – п аз е ль пре ломле ния лаз рног мат е риала, λ 0 – длина в олны
  де          ок ат                      е   о
из ае мого св е т а в в ак
   луч                    ууме . М одов ое раз ле ние мож но уст анов ит ь в з в
                                              де                          , я
п роиз одную dq/dλ0 и п
       в                 ринимая в о в нимание , ч т о полупров одник ые лаз ры
                                                                     ов      е
в се г раб аю т в б и длины в олны, соот в е т ст в ую ще й ш ирине з ре ще нной
      да     от     лиз                                              ап
з оны, г n з исит от длины в олны.
         де     ав
        Так об ом,
            им раз
                           dq / dλ0 = −2 Ln / λ0 + (2 L / λ0 )(dn / dλ0 ) .
                                               2
                                                                                             (2)
      При dq = -1 модов ое раз ле ние dλ 0 з
                              де            адае т ся в ыраж е ние м :
                           dλ0 = λ0 /{2 L[ n − λ0 (dn / dλ0 )]} .
                                  2
                                                                                             (3)
        М ы в ыб    рали dq = -1 п ому, ч т о уме нь е ние на е диниц в е лич ины q
                                   от               ш                    у
соот в е т ст в уе т п е ре одной полув олны ме ж ду т орц в ым и п е рх ност я ми
                      от                                      е          ов
Ф абри-Пе ро, т .е . ув е лич е нию длины в олны λ 0. Е сли не уч ит ыв ат ь ч аст от ную
дисп рсию п аз е ля п ломле ния n, в ыраж е ние (3) мож но пре дст ав ит ьв в иде
     е             ок ат     ре
                                  ∆λ = λ0 / 2Ln .
                                        2
                                                                                             (4)
        И                                                           Конт ур усиле ния
        н                                                           акив ной сре ды
                                                                      т
        т
        е
        н                                                             М оды
        с                                                             ре зонат ора
        и
        в
        н
        о
        с
        т
        ь
                                                                              Ч а ст о т а
                                              а)
        И
        н                                                     Сп к р из е ния
                                                                е т    луч
        т
        е                                                     мног омодов ого
        н                                                     лаз ра
                                                                 е
        с
        и
        в
        н
        о
        с
        т
        ь
                                                                              Ч а ст о т а
                                             б)
              Рис. 3. Ф ормиров ание сп к ра из е ния м ног
                                       е т     луч         омодов ог лаз ра.
                                                                    о   е


                                                 9
        О б но могут суще ст в ов ат ь не ск к п
            ыч                                  оль о родоль      ных мод, име ю щих длины
в олн в б и мак
           лиз         симума п  олосы из е ния . М одов ое раз ле ние для лаз ра на
                                            луч                           де                 е
основ е GaAs об но сост ав ля е т dλ 0 ~ 3 А. Ч исло линий, на к орых в оз
                      ыч                                                        от           мож на
г не рац , п з
  е        ия ри аданной длине L з исит от св ойст в ак ив ной сре ды и мож е т
                                            ав                          т
дост иг ьсот е н (рис. 3). На э т ом рисунк т ак е услов но пок ана з исимост ь
         ат                                        е      ж                   аз       ав
усиле ния акив ной сре ды от ч аст от ы (рис. 3а). Произ е де ние э т их к ых и
                 т                                                     в                   рив
даё т сп кр из е ния лаз ра (рис. 3б). Ч т об доб ь раб ы в одномодов ом
          е т        луч         е                       ы    ит ся          от
ре ж име , не об одимо модифиц
                   х                  иров ат ь лаз рную ст рук уру т ак ч т об п
                                                     е              т            ,     ы одав ит ь
в се моды к      роме основ ной. Ч аще в се г э т ого дост иг т , уст анов ив в ме ст о
                                                  о                    аю
одног изз рк ре з
        о      е ал        онат ора дифрак ионную ре ш ё т к
                                             ц                   у.
        В ре аль   ных лаз рах ак ив ная сре да ог
                            е       т                   ранич е на не т оль о в нап ле нии
                                                                                к         рав
з рк ре з
  е ал        онат ора, а сле дов ат е ль в оз
                                          но,     мож на г не рац т ак е и п е ре ч ных
                                                            е         ия        ж       оп
мод из е ния (См . п
          луч                 рилож е ние 1). На п т ик ст араю т ся ск
                                                       рак е                        онст руиров ат ь
из ат е ль т ак об ом, ч т об доб ь ге не рац на одной п е ре ч ной
    луч               им    раз           ы      ит ся            ии                    оп
моде .
        Сов ре ме нные лаз ры раз аю т ся :
                              е       лич
        1. Ак ив ной сре дой (раб им т е лом).
               т                      оч
        2. Сп  особ соз
                      ом     дания инв е рсной з лё нност и, или сп
                                                 асе                         особ нак к
                                                                                   ом     ач и.
        3. Конфигурац й ре з
                           ие      онат ора и ре ж имом ге не рац     ии.
        4. М ощност ь и ре ж имом раб ы.
                         ю                   от
       2.2. Газовы е лазер ы
       Э т о ш ирок кий ласс лаз ров , акив ной сре дой в к орых я в ля ю т ся г ы,
                                  е         т                 от                    аз
п ары или их сме си. Т ипич ным п дст ав ит е ле м , я в ля ю щимся э ффе кив ным
                                         ре                                     т
инст руме нт ом п п е де нии науч ных иссле дов аний и в ря де п т ич е ск
                    ри ров                                                рак         их
п рилож е ний, ост ае т ся к лассич е ск He – Ne лаз р. Рассмот рим в к е ст в е
                                        ий                 е                     ач
т ипич ног об ц лаз р малой мощност и с в идим ым (к
            о   раз а      е                                      расным) из е ние м
                                                                              луч
(λ = 633 нм). Пе ре х оды в He-Ne лаз ре п    е   роисх одя т ме ж ду уров ня м и ат ома
не она, а г лий служ ит для э ффе кив ног в оз уж де ния ат ома не она. Кроме
              е                          т      о    б
длины в олны 633 нм, г не рац в оз
                          е       ия     мож на на длинах в олн 1150 и 3390 нм. Э т от
малог арит ный малош умя щий ист оч ник к ре нт ног св е т а приме ня е т ся
       аб                                           оге        о
в е сь ш ирок от лаб
      ма         о:        орат орных иссле дов аний и г оде з е ск даль
                                                            е   ич    их       номе ров ,
до ме дик е рап в т ич е ск п оров . На рис. 4 п дст ав ле на е г к рук ия .
           о-т      е        их риб                     ре             о онст       ц

        Ист оч никв ысок о (3 – 5 к )
                         ог        В             Токоогранич ив аю ще е
                  нап ж е ния
                      ря                           соп ив ле ние
                                                      рот
          Зе ркало      Э ле к род (-)
                              т                      Э ле крод (+)
                                                           т              Зе ркало


                                      Сме сьHe + Ne
                                             L


                                 Рис. 4. Сх е ма He-Ne лаз ра.
                                                          е


                                               10
        Длина ре з   онат ора об но сост ав ля е т 20 – 50 см (иногда, в лаз рах
                                ыч                                                        е
п ыш е нной мощност и, мож е т дост игат ь не ск к
  ов                                                           оль их ме т ров ). М е ж ду
з рк
  е алами ре з    онат ора расп олож е на т онк (1 – 3 мм) т руб а – к
                                                 ая                        к        апилля р,
з олне нная г ами He и Ne п дав ле ние м ок
  ап              аз                  од                    оло 3 т орр с п иальарц       ным
соот нош е ние м 5:1. На к ах т руб и п ле е ны оп ич е ск п
                              онц          к рик                 т       ие олиров анные
ок п уг
    на од лом Брю ст е ра, для к орог в ып
                                     от       о      олня е т ся услов ие tgβ = n, г n -де
к ффиц нт п лом ле ния ст е к ок
  оэ       ие        ре                ла       он. При т ак     ом уг   ле к ффиц нт
                                                                                оэ       ие
от раж е ния для лине йно п риз анного св е т а одной поля риз ии ст анов ит ся
                              оля    ов                                   ац
рав ным нулю , п т ому лаз р б т г не риров ат ьсв е т т оль о э т ой п риз ии.
                    оэ         е уде е                              к           оля     ац
        Коэ ффиц нт усиле ния в т ак лаз рах в е сь мал (10 - 10 см -1),
                   ие                      их     е            ма            -4      -3

п т ому для в оз нов е ния г не рац доб ност ь ре з
  оэ                  ник          е        ии      рот            онат ора долж на б ь     ыт
                                                  9
в е лик О б но она сост ав ля е т ок
        а.    ыч                         оло 10 , ч т о п в оля е т п
                                                             оз           олуч ит ь ш ирину
спе кра п
      т     родоль   ных мод ок  оло 500 к ц В об ных лаз рах г не рируе т ся от
                                             Г .        ыч          е      е
не ск к
      оль их до не ск к     оль их де ся т к  ов мод. Для сп ц         е иаль   ных ц ле й
                                                                                         е
из от ав лив аю т ся и одномодов ые лаз ры.
    г                                    е
        М ощност ь из е ния He - Ne лаз ров об но не п в ыш ае т 10 мВ т , а
                        луч                    е         ыч           ре
КПД - 0,01%. Расх одимост ьпуч к сост ав ля е т 1 - 5 мрад.
                                     а
       2.3. Полу р овод и ковы е и ст оч н ки и злу ен я
                п      н                  и        ч и
        В п  олуп одник ых лаз рах и св е т одиодах п ре х оды с оп ич е ск
                   ров       ов        е                         е             т      им
из е ние м п
   луч             роисх одя т ме ж ду дв умя не э не рг т ич е ск
                                                             е       ими уров ня м и, а
э не рг т ич е ск
       е         ими з онами - зоной п одимост и и в але нт ной з
                                         ров                          оной, сост оя щими
из б шого ч исла пе ре к аю щих ся уров не й.
       оль                        рыв                             Эти з оны раз ле ны
                                                                                  де
з ре ще нной з
  ап                оной Eg. Э ле к роны п иня ю т ся ст ат ист ик Ф е рми-Дирак
                                   т           одч                    е                а,
сог  ласно к орой в е роя т ност ь з ле ния уров ня с э не ргие й Е
                от                           асе                                        в
рассмат рив ае м ых з  онах в сост оя нии т е рмодинам ич е ск рав нов е сия
                                                               ого
                                                                    −1
                                             ( E − E F )  
                                PE = 1 + exp 
                                                         kT  
                                                             
                                                                         ,
                                     
г k - пост оя нная Боль мана, Т - т е мп рат ура. Э не рг EF соот в е т ст в уе т т ак
  де                          ц                   е                    ия
наз ае мому уров ню Ф е рми, для соб в е нног п
     ыв                                       ст            о олупров одник (бзп
                                                                               а е риме се й)
в рав нов е сии уров е нь Ф е рми расп       олаг т ся т оч но п ре дине з ре ще нной
                                                  ае                   осе            ап
з оны и з ле нност ьз
           асе             оны п одимост и б к кнулю . Е сли в п
                                 ров                  лиз а                        олуп одник
                                                                                         ров
в не се на донорная п     риме сь (п   олуп одник n-т ип
                                              ров                    а), т о в оз мож е н случ ай
(в ырож де нный п    олуп одник к да уров е нь Ф е рми нах одит ся в з
                           ров        ), ог                                                   оне
п одимост и и она з ле на, уп
  ров                     асе           роще нно г оря до э т ог уров ня . Ак е п орная
                                                         ов              о              ц т
п риме сь в в ырож де нном п      олуп одник (полуп одник p-т ип сме щае т
                                         ров           е           ров                а)
уров е нь Ф е рми в в але нт ную з ону, к орая з ле на т оль о до э т ог уров ня .
                                           от            асе            к          о
        Из е ст но, ч т о один и т от ж е к
           в                                        рист алл п     олуп одник в п е ссе
                                                                        ров        а      роц
в ыращив ания мож но ле г        иров ат ь раз ным об ом и п
                                                   лич               раз            олуч ит ь дв е
раз ранич е нные об и с n- и p-т ип п ранич ным слое м, наз ае м ым p-n–
     г                  ласт                   а ог                                ыв
п ре х одом. Для т ого ч т об p-n-п ре х од мог из ат ьсв е т , не об одимо, ч т об в
  е                            ы       е                     луч                х             ы
об и p-n-п ре х ода п
    ласт          е           рисут ст в ов али к э ле к роны, т ак и дырк Э т ог
                                                     ак          т                       и.      о
дост иг т , силь ле г
         аю         но     ируя об ст ороны п ре х ода. При силь
                                   е                 е                      ном ле гиров ании и
p- и n-об и я в ля ю т ся в ырож де нным и п
               ласт                                               олупров одник   ами, т о е ст ь



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика