Направленность лазерного излучения

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет информационных
технологий, радиотехники и электроники

Кафедра ТООЭ

Курсовая работа по теме

Полупроводниковый инжекционный лазер для применения в лазерной арфе

Студент группы ___ЭМБ-1-13_______ (учебная группа)
Руководитель курсовой работы	.

«Допущен к защите»	«__»_______201___ г.	(подпись руководителя)

Итоговая оценка выполнения и защиты курсовой работы:

Члены комиссии:

Москва 2015

	МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники Кафедра ТООЭ Курсовая работа по дисциплине « Квантовая и оптическая электроника»
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсовой работы
по теме: Полупроводниковый инжекционный лазер для применения в лазерной арфе
Студент _Домбровская Н.А.______________________ Группа__ЭМБ-1-13__________
2. Исходные данные по заданиям: Полупроводниковый инжекционный лазер с выходной мощностью 150 мВт, длиной волны 532 нм и непрерывным режимом работы
3. Перечень вопросов, подлежащих разработке, и обязательного графического материала:
Условия начала генерации. Генерационная характеристика
4. Срок представления к защите курсовой работы: до « 22»декабря _2015 г.
ЗАДАНИЕ ВЫДАЛ : доц. Андрущак Е.А. ЗАДАНИЕ ПОЛУЧИЛ : СТУД. ………Домбровская Н.А..

Мониторинг процесса выполнения курсовой работы

По дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»

Тема: Полупроводниковый инжекционный лазер для применения в лазерной арфе

Студент __Домбровская Н.А._________Группа__ЭМБ-1-13____

№ этапа	Этап курсовой Работы	Оценка выполнения этапа курсовой работы (баллы)	Комментарии руководителя курсовой работы
	Самостоятельный выбор интересного студенту направления применения лазеров     Знакомство с литературой по выбранному направлению. Подготовка краткого «реферата» по выбранному применению . Примерное определение параметров требуемого лазера     Описание варианта конструкции лазера (активная среда , резонатор , система накачки, условия начала генерации , механизмы получения инверсии и потери в резонаторе…)   Раскрыть перечень вопросов ,которые студент получает индивидуально по результатам обсуждения итогов 3-го этапа.   Оформление материалов и подготовка к защите.

Комментарии рецензента

Содержание

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Структура лазера. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Активная среда полупроводникового лазера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Система накачки полупроводникового лазера. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Резонатор полупроводникового лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Потери в резонаторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Условия начала генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Условие лазерной генерации и порог возбуждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров. . . . . . .

9. Применение полупроводникового лазера в лазерной арфе. . . . . . . . . . . . . . . . .

10. Список используемой литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Введение.

Полупроводниковый лазер – лазер, активной средой которого является полупроводниковый кристалл, а точнее, область p-n перехода.

В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что обуславливает возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора 50 мкм – 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, полупроводниковые лазеры обладают высоким кпд (до 50%). А большой выбор современных полупроводниковых материалов обеспечивает генерацию в широком спектральном диапазоне (от 0,3мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили полупроводниковым лазерам широкое применение в различных областях современной деятельности человека.

Для работы лазера любого типа необходимо выполнение следующих основных требований: 1) создание инверсной заселённости на одном из оптических переходов; 2) превышение усиления над потерями; 3) наличие резонатора для обеспечения положительной обратной связи.

В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковых лазерах используются излучательные квантовые переходы между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Инверсная населённость создаётся с помощью инжекции через p-n переход неравновесных носителей тока, путём приложения внешнего напряжения в прямом направлении. Дело в том, что распределение электронов по возможным энергетическим уровням в полупроводниках зависит от концентрации примеси и температуры кристалла. При этом для каждой температуры существует вполне определённое распределение электронов по энергетическим состояниям. При изменении температуры через некоторое время устанавливается равновесие электронов и атомов и происходит новое распределение электронов по энергетическим уровням. При этом часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободными носителями тока. Эти свободные носители, существующие при тепловом равновесии, называются равновесными носителями тока. Если возбуждение электронов происходит не в результате теплового воздействия, а за счёт других процессов, например, путём освещения полупроводника или путём приложения электрического поля, то в течение относительно длительного времени электроны могут обладать температурой, большей, чем температура атомов, что приводит к увеличению электропроводности, и такие электроны (и дырки) называются неравновесными носителями тока. Наряду с генерацией неравновесных носителей существует обратный процесс – рекомбинация электронов и дырок – переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего происходит исчезновение электронов и дырок. Рекомбинация может сопровождаться излучением фотонов, что и лежит в основе работы полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые или диодные лазеры очень важны для многих применений. В них используются не уровни, а энергетические состояния нелокализованных электронов. В твердых телах энергетические уровни электронов группируются в зоны. При температуре абсолютного нуля в полупроводниках, все имеющиеся уровни заполняют одну зону (валентная зона), а последующие свободные уровни группируются в другой зоне (зона проводимости), которая совершенно не заполнена и отделена от валентной зоны некоторым промежутком энергий, для которых нет состояний. Этот интервал называется запрещенной зоной (энергетической щелью). В этих условиях материал не может проводить ток и является изолятором. Когда температура увеличивается и если зона проводимости расположена от валентной зоны не слишком высоко, термическое возбуждение достаточно, чтобы некоторые из электронов перескочили в зону проводимости. Поскольку там все уровни пустые, они способны обеспечить электрический ток. Однако из-за того, что их мало, величина тока невелика. Соответственно материал становится проводящим с плохой проводимостью, т.е. полупроводником. Электроны, которые способны поддерживать ток в зоне проводимости, оставляют вакантными состояния в валентной зоне. Эти вакантные состояния, которые называются дырками, ведут себя как положительно заряженные частицы и также участвуют в проводимости. В чистом полупроводнике термическое возбуждение производит электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне в равных количествах.

Электроны и дырки, способные поддерживать ток, называются носителями. Если по какой-либо причине в зоне проводимости оказывается больше электронов, чем следует по статистике Максвелла-Больцмана, избыток электронов падает на вакантные энергетические уровни валентной зоны и таким образом возвращается в валентную зону и там исчезает дырка. То же самое происходит, если, наоборот, больше дырок присутствует в валентной зоне, чем допускается данной температурой. Этот процесс называется рекомбинацией двух носителей. Он происходит, давая энергию, соответствующую величине интервала между двумя зонами, которая проявляется либо в виде механических колебаний решетки, либо в виде испускания фотона. В последнем случае переход называется излучательным, а энергия фотона соответствует разности энергий уровней в валентной зоне и в зоне проводимости, т.е., грубо говоря, равной энергии запрещенной зоны.

Некоторые полупроводники не вполне чистые. Примеси образуют энергетические уровни электронов внутри зон. Если эти дополнительные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости, термическое возбуждение заставляет их электроны перепрыгнуть в зону проводимости, где они способны поддерживать электрический ток. Уровни примеси остаются пустыми и, поскольку они фиксированы в материале, не способны поддерживать ток. В этом случае единственными носителями тока являются электроны в зоне проводимости, и полупроводник называется допированным n-типом («n» напоминает, что проводимость обеспечивается отрицательными зарядами). Наоборот, если уровни примеси располагаются вблизи верха валентной зоны, термическое возбуждение заставляет электроны из валентной зоны перепрыгнуть на эти примесные уровни, образуя тем самым дырки, которые способны поддерживать ток. Тогда полупроводник называется p-типом («p» — для положительного заряда). Возможно так допировать полупроводник, что получаются области как p-типа, так и n-типа с узкой промежуточной областью между ними. Этот промежуток между различными областями называется p-n-переходом. Если заставить ток протекать через этот переход, делая n область отрицательной и p область положительной, электроны инжектируются в этот переход. На основе этого свойства были изобретены в конце 1940-х гг. транзисторы, вызвавшие революцию в мире электроники.

Первый полупроводниковый лазер был изобретен в 1962 году Р. Холлом.

Структура лазера

Рис. 1.1. Структура лазера.

На рис. 1.1. представлена структура лазера: 1-Активная среда; 2-зеркала резонатора; 3-система накачки; 4-отражающие покрытия.

Работа лазера базируется на выполнении трех необходимых и достаточных условий:

1.Наличие лазерной активной среды, то есть среды, обладающей способностью усиления оптического излучения при изменении ее энергетического состояния.

2.Создание инверсной населенности в лазерной активной среде, то есть перераспределения общего числа электронов по энергетическим уровням таким образом, чтобы верхние энергетические уровни были заселены больше, чем нижние.

3.Обеспечение в самом источнике (лазерной активной среде) положительной обратной связи (она реализуется с помощью оптического резонатора).

Направленность лазерного излучения

Направленность лазерного излучения характеризуется расходимостью лазерного луча – определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру оптического резонатора

Где – размер резонатора.

В любом резонаторе условие резонанса выполняется для многих типов колебаний – мод, отличающихся друг от друга частотой и распределением электромагнитного поля вдоль резонатора. В результате спектр излучения любого лазера состоит из набора мод, а для получения одночастотного или одномодового режима необходимо использовать избирательные элементы.