Лазеры, мазеры, гетеролазеры

1.

Выполнил:
Зайков Дмитрий Владимирович.
Группа: 23Ф 181.

2.

Явление
усиления
света
в
системе,
содержащей возбуждённые частицы газа,
исследовалось в Советском Союзе ещё в 1939м
году
Валентином
Александровичем
Фабрикантом, который даже предложил ряд
методов создания инверсной населённости.
При инверсии в двухуровневой системе
индуцированные переходы с испусканием
фотонов преобладают над индуцированными
переходами с поглощением фотонов, и,
следовательно,
падающий
на
такую
неравновесную среду поток фотонов должен
усиливаться за счёт испускания подобных им
фотонов. Последующие работы Фабриканта в
этой области появились в послевоенные годы.
К сожалению, на эти работы не обратили
должного внимания.

3.

Идея возможности усиления света за счёт индуцированных
переходов в среде с инверсной заселённостью открывала путь к
получению мощных потоков идентичных фотонов, но при одном
условии: на вход усиливающей среды должен подаваться поток
столь же идентичных фотонов. В противном случае всё
несовершенство светового пучка на входе усиливающей среды
повторится в усиленном виде на её выходе. Но все обычные
источники света испускают хаотическое излучение, из которого
невозможно выделить сколько-нибудь интенсивный поток
одинаковых
фотонов
для
их
последующего
усиления.
Потребовалась ещё одна решающая идея - поместить усиливающую
среду в резонатор, в котором усиление преобладало над потерями.
Тогда можно начинать процесс усиления с одного или нескольких
спонтанных фотонов, которые, многократно проходя через
усиливающую среду, будут рождать множество подобных им
фотонов. Такой цепной процесс незатухающего размножения
одинаковых фотонов называют обычно генерацией, а само такое
устройство - оптическим квантовым генератором или лазером.
Однако идея квантового генератора когерентного света пришла в
оптику из радио. По существу, открытие лазера произошло на пути
синтеза ключевых идей оптики и радио.

4.

В 1954 году в США
Гордоном,
Цайгером
и
Таунсом был запущен первый
молекулярный
генератор
электромагнитных колебаний
на аммиаке или мазер.
Несколько позже подобный
мазер был создан группой
Басова и Прохорова в Москве.

5.

Мазер – усилитель света в СВЧ диапазоне.
Принцип работы мазера можно понять
рассматривая формулу ниже:

6.

7.

Населённости уровней энергии
подчиняются закону Больцмана:
в
системе
частиц
где Ni и Nj - соответственно плотности населённости
(т.е. число частиц в единице объёма) верхнего (Ei) и
нижнего (Ej) энергетических уровней, gi и gj - факторы
вырождения соответствующих уровней, k - постоянная
Больцмана, T - температура системы частиц (в случае
термодинамического равновесия это есть температура
термостата).

8.

Рассмотрим работу устройства, схематически
изображенного на рисунке.
Пусть из вакуума слева (точка 1) на резонатор
падает
линейнополяризованная
плоская
электромагнитная волна с напряженностью
электрического поля
Получаем:

9.

Когда знаменатель в формуле для прошедшей
волны обращается в нуль, даже ничтожно малая
волна на входе в резонатор дает на выходе из
него волну гигантской амплитуды. Мы получили
условие, при котором внутри резонатора
возбуждаются собственные колебания:
Разобьем комплексное соотношение на два
условия: фазовое и амплитудное

10.

Фазовое условие имеет вид: k0 l = mπ,
где m – целое число. Это обычное условие
интерференционного усиления многократно
отраженных внутри зеркал волн
Учитывая, что ω = 2πν, перепишем формулу:

11.

Амплитудное условие r1 r2exp[l(γ(ω) – α0 )] = 1 можно переписать
как формулу для порогового значения коэффициента усиления:
Учитывая явный вид коэффициента γ(ω):
вычислим критическое значение плотности инверсной населенности
атомных уровней, после превышения которой возможно
возбуждение собственных колебаний в лазерном резонаторе:

12.

При возбуждении собственных колебаний в резонаторе
лазер отбирает энергию от среды с инверсной
населенностью и излучает ее в оптическом диапазоне.
Если не производить «накачку», т. е. не переводить
новые атомы среды из основного состояния в
возбужденные, то инверсная населенность будет
уменьшаться и возникшие в лазере собственные
колебания прекратятся. Это произойдет в тот момент,
когда инверсная населенность атомных уровней упадет
ниже вычисленного нами критического значения Nпорог.
Если атомы среды в резонаторе все время «накачивать»
на уровень 2, то можно добиться непрерывных
собственных колебаний в резонаторе. Отсюда следует,
что лазеры могут быть двух типов: с непрерывным
режимом работы и импульсным.

13.

10 октября 2000 г. Нобелевский
комитет
сообщил,
что
ежегодная премия в области
физики
присуждена
Ж.И.
Алферову Герберту Кремеру и
Джеку С. Килби. Ученые
удостоены награды за открытие
и
разработку
оптои
микроэлектронных элементов
на
базе
так
называемых
гетеропереходов
и
гетероструктур.

14.

Гетеропереход – это контакт двух различных по химическому
составу
полупроводников.
На
границе
раздела
полупроводников обычно изменяются ширина запрещенной
зоны, подвижность носителей заряда, их эффективные массы
и другие важные физические характеристики материала. В
«резком» гетеропереходе изменение свойств материала
происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем
ширина области объемного заряда. Комбинации различных
гетеропереходов p–n-, n–n-, p–p- типов образуют
гетероструктуры.
Изготовление идеальных гетеропереходов и гетероструктур
стало
возможным
благодаря
развитию
методов
эпитаксиального
выращивания
полупроводниковых
кристаллов. Ж.И. Алферов выдвинул и реализовал
гениальную идею: выращивать на грани кристалла с
определенными параметрами решетки другие кристаллы с
теми же параметрами решетки, но с совершенно иным
спектром энергии электронов и дырок

15.

Подвижность электрона или дырки – это величина,
которая характеризует, насколько свободно носитель
заряда движется через вещество. При низких
температурах, когда рассеянием на фононах можно
пренебречь, подвижность носителей заряда в
современных гетероструктурах GaAs (арсенид
галлия) / AlxGa1–xAs (арсенид алюминия-галлия, в
котором часть атомов галлия замещена атомами
алюминия) превышает таковую в кремнии почти в
1000 раз и равна по порядку величины 107 см2
/(В·с). При этом длина свободного пробега
электрона равна приблизительно 0,2 мм, т. е.
электрон проходит мимо миллиона атомов без
рассеяния

16.

Открытие Алферовым идеальных гетеропереходов, разработка
технологий их получения повлекли за собой успешные
исследования уникальных электрических и оптических свойств
гетероструктур. В частности, были предсказаны и обнаружены
следующие новые эффекты. Эффект сверхинжекции, состоящий в
том, что плотность носителей, инжектированных в слой узкозонного
полупроводника гетероструктуры, оказывается намного больше
плотности в широкозонном слое, служащем эмиттером. Эффект
электронного ограничения в гетероструктурах, обусловленный
изменением ширины зоны запрещенных энергий и обеспечивающий
локализацию носителей заряда в тонком слое узкозонного
полупроводника. Оба эффекта чрезвычайно полезны, например, при
создании
инверсной
населенности
в
активном
слое
полупроводникового лазера. Был также открыт эффект оптического
ограничения, связанный с различием показателей преломления
слоев и позволяющий создать пространственную локализацию для
электромагнитных волн. Это важно, например, при выведении
мощного электромагнитного импульса без потерь энергии из
активного слоя лазера. Обнаруженные эффекты открыли богатые
возможности для управления движением носителей заряда и
световыми потоками в гетероструктура.

17.

Простейший инжекционный гетеролазер содержит
два гетероперехода. Один из них p–n-типа
инжектирует электроны. Фактически, это диод,
включенный в прямом направлении. Второй
гетеропереход p–p-типа ограничивает растекание
носителей заряда из области активного среднего
слоя. Важно, что средним слоем является материал
с меньшей шириной запрещенной зоны и большей
диэлектрической постоянной, чем крайние слои.
Две плоскопараллельные грани сэндвича из
полупроводниковых слоев, перпендикулярные
плоскостям p-p- и p-n-переходов, служат зеркалами
оптического резонатора. Активными частицами в
лазере являются свободные носители заряда –
электроны и дырки. Инверсия заполнения
достигается при большом прямом токе через p–nпереход за счет инжекции избыточных носителей
заряда в активный слой.

18.

Привлекательные
черты
гетеролазеров:
1) Малые размеры активного элемента,
2) Малая инерционность,
3) Высокая эффективность преобразования
электрической энергии в световую
4) Отсутствуют рекомбинационные потери
энергии в крайних слоях

19.

Лазерная спектроскопия — одна из
самых динамично развивающихся
областей
современной
физики,
стимулирующая прогресс во многих
смежных
дисциплинах.
О
ее
перспективности
и
важности
свидетельствует
присуждение
Нобелевской премии по физике 2005
г.
Ее
вручили
за
развитие
прецизионной
лазерной
спектроскопии трем ученым: Рою
Глауберу, Джону Льюису Холлу и
Теодору Хеншу. К принципиальным
преимуществам лазерного излучения
и вытекающим из них возможностям
усовершенствования
методов
спектроскопии относятся следующие:

20.

1. Большая спектральная мощность. За счет выделения узкого
спектрального интервала удается резко снизить уровень
шумов приемников и фонового излучения.
2. Малая расходимость лазерных пучков. Например, при
измерении малых коэффициентов поглощения можно
использовать большую длину пути через поглощающий
образец.
3. Фокусировка (концентрация в предельно малый объём) и
последующее
эффективное
отображение
на
щель
спектрографа излучения лишь из этого малого объема
позволяют резко повысить пространственное разрешение
получаемой информации.
4. Малая спектральная ширина лазерного излучения.
Позволяет добиться спектрального разрешения, на много
порядков превышающего разрешение самых больших по
размерам и дорогостоящих спектрографов

21.

5. Возможность плавной перестройки частоты.
Предоставляет уникальную возможность сочетать
сверхвысокое разрешение с большой спектральной
яркостью регистрируемых излучений.
6. Концентрация во времени (сверхкороткие
импульсы с длительностью вплоть до величин
порядка 10 фс) позволяет разрешать во времени
сверхбыстрые
переходные
процессы
с
длительностью порядка 10 в степени -14 секунд.
7. Использование лазеров значительно расширяет
возможности
использования
современной
электроники и вычислительной техники для
автоматизации и повышения точности регистрации и
обработки спектроскопической информации.

22.

1). В.П. Дубов, С.Г. Монтанари «ОПТИЧЕСКИЕ
КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЧАСТЬ 1)». Тюмень:
Тюменский государственный университет. 1999г.
(50с)
2) Ч. Китель «ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ТВЁРДОГО
ТЕЛА» (791с)
3) В.В. Киселев «КВАНТОВАЯ МАКРОФИЗИКА»
Екатеринбург: Институт физики металлов УрО РАН,
2010 г. (350с)
4) А.К. Попов «Лазерная спектроскопия»
Красноярск: Красноярский государственный
университет. (111с)
https://lls.nsu.ru/pdfs/laser_spectroscopy.pdf