Накачка электрическим разрядом.

В современных в/в газовых и твёрдотельных лазерах (независимо от вида и типа) для создания инверсии населённости в активной газовой среде используется электрический разряд(рис. ). Этот вид накачки оказался технически наиболее простым и энергетически эффективным (до 90%). Для накачки применяют самостоятельные, несамостоятельные и незавершённые электрические разряды. Для возбуждения таких разрядов применяют постоянные, переменные и импульсные высокие напряжения и электрические поля, а также внешние ионизаторы в виде пучка быстрых электронов или ультрафиолетового облучения.

Электрическая цепь с газоразрядным промежутком

Рис.

При использовании электрического разряда для накачки активной газовой среды лазера практический интерес представляют следующие параметры:

- Отношение средней напряженности электрического поля в газоразрядном промежутке ( при наличие разряда) к давлению газа Р ( или концентрации молекул газа ); .

- массовый энерговклад, , где - длина ГРП, - удельный вес газа, - скорость движения газа через ГРП

- объемный энерговклад, , - плотность тока, - объём газоразрядной камеры, - электрическая прочность газоразрядного промежутка, .

- массовый энергосъём, G – масса газа проходящего через ГРП в секунду.

ВАХ- вольтамперная характеристика газоразрядного промежутка и Е_ПР

Рассмотрим практическое значение каждого из перечисленных параметров. - это параметр показывает эффективность использования электрического разряда для создания инверсии населённости. Это удобно проиллюстрировать графически с помощью зависимостей относительных затрат энергии электронов, движущихся в электрическом поле.

У – затраты энергии электронов на упругие столкновения,

В – затраты на перевод молекулы на метастабильный уровень – самая высшая зависимость

Э – затраты на сообщению энергии электронам атомов молекул с переходом электронов на метастабильный энергетический уровень

И – затраты на ионизацию нейтральных молекул

Е_Н – напряжённость появления самостоятельного разряда

Рис.

Из рис. видно (кривая В), что доля энергии, выделяемой при электрическом разряде и затрачиваемой на создание инверсии населённости может превышать 80%. Однако это достигается при E<E_Н (несамостоятельный разряд). Тем не менее, при появлении самостоятельного разряда E=E_Н эта доля уменьшается, но остаётся ещё достаточно высокой (40-60%).

Состав газовой среды оказывает влияние на характер этих зависимостей.

- этот параметр показывает, насколько эффективно используется объём активной среды для преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения с помощью электрического разряда.

Можно записать следующее выражение:

, - удельный объёмный энергосъём.

Чем выше , тем эффективнее используется объём активной среды и электрический разряд для получения лазерного излучения. На практике стремяться повысить . Но рост ограничен переходом разряда в дуговую форму, что является аварийной ситуацией. В настоящее время пока нет теории, которая позволяла бы делать точные оценки предельной величины . Точные значения этого параметра, которые необходимы для расчётов лазеров определяют экспериментально. Можно указать ориентировочные предельные значения:

Вид разряда
Самостоятельный		0,1
Несамостоятельный		1,0

В случае несамостоятельного разряда пороговое значение существенно выше, активная среда используется более эффективно.

Существует оптимальное значение , которое определяется температурным режимом газовой смеси. При неизменных условиях охлаждения температура газовой смеси Т_Г зависит от Температура в свою очередь оказывает сильное влияние на заселённости энергетических уровней при накачке электрическим разрядом (рис. ).

Рис.

Это влияние качественно можно представить графически. При достижении некоторой критической температуры инверсия населенности исчезает. Максимальная величина инверсии достигается при температуре . Оптимальное значение <jE>опт зависит от конструкции излучателя и способа охлаждения среды. При неизменных конструкции и условиях охлаждения.

Для существующих конструкций излучателей массовый энерговклад составляет , а массовый энергосъём излучения . и - необходим для определения мощности источника питания.

В этом случае предельная энергия импульса лазерного излучения может быть оценена по формуле

(2.25)

плотность газовой смеси, - объем активной среды в рабочей камере излучателя. Из формулы видно, что энергия импульса возрастает с увеличением давления активной рабочей смеси, так как увеличивается , а так же наблюдается увеличение .Другим важным параметром является предельная частота следования импульсов. Частота следования импульсов излучения зависит от типа излучателя с точки зрения охлаждения рабочей газовой смеси. Так же как в лазерах непрерывного излучения, в импульсных газовых лазерах применяют излучатели с диффузионным и конвективным охлаждением. По конструктивному выполнению газоразрядной камеры различий практически нет. Однако импульсные лазеры могут существенно отличаться от лазеров непрерывного излучения конструкцией электродов, электрической схемой высоковольтных источников питания и давления рабочей газовой среды.

Для излучателей с диффузионным охлаждением частота следования импульсов ограничивается скоростью отвода тепла к охлаждаемым стенкам камеры и составляет

, - диффузия, - радиус трубки.

Для излучателей с конвективным охлаждением с быстрой поперечной прокачкой частота следования импульсов определяется временем прокачки рабочей смеси через зону разряда и может быть оценена по формуле: , - ширина газоразрядной камеры.

Приведенные формулы позволяют оценить параметры импульсных газовых лазеров.

Полагаем

Р=50мм.рт.ст.→

Частота следования импульсов для лазеров с диффузионным охлаждением

С конвективным охлаждением

Средняя мощность излучения определяется по формуле

– электрическая прочность газовой рабочей смеси, её необходимо знать для определения требуемого напряжения высоковольтного источника питания. Например, в случае использования несамостоятельного разряда для накачки активной среды необходимо: ,(h – длина газоразрядного промежутка); - в случае самостоятельного разряда.

Значения и находят из кривых Пашена, т.е. зависимостей .

Эти кривые обычно получают экспериментальным путем для каждой конкретной рабочей газовой и конструкции излучателя. Точных сведений в литературных источниках практически нет. Характерные значения

ВАХ – ее знание необходимо для обеспечения требуемой формы электрического разряда и ее устойчивости. ВАХ в общем случае имеет вид, представленный на рис.

AO – участок, где соблюдается закон Ома;

AB – участок насыщения;

BC - участок несамостоятельного разряда.

Участки D –F –G тлеющего разряда, существуют только при давлении активной газовой среды не более 100 мм.рт.ст. (F –G – аномальный тлеющий разряд склонный к внезапному переходу в искровую и дуговую форму, его избегают на практике).

Участок GH соответствует искровому и дуговому разряду.

В зависимости от применяемой формы электрического разряда используются различные участки ВАХ:

–несамостоятельный разряд – BC

–незавершенный разряд – CD

–тлеющий самостоятельный заряд – DF

–искровой и дуговой заряд – GH (импульсные лампы накачки, вспомогательные промежутки для внешней ионизации УФ излучения).

На участке BC разряд (несамостоятельный) имеет практически всегда возрастающую ВАХ. На участке DF в случае излучателей с диффузионным охлаждением разряд имеет убывающую ВАХ. В случае излучателей с конвективным охлаждением разряд на этом участке имеет горизонтальную или слабовозрастающую ВАХ. На участке GH разряд имеет практически всегда убывающую ВАХ. В настоящее время, ВАХ газоразрядных промежутков излучателей газовых лазеров определяют экспериментальным путем для каждой конкретной конструкции излучателя и состава газовой рабочей среды.

ВАХ импульсных ламп накачки приближенно описывается уравнением:

,

где =1,3%

В случае использования для накачки активной газовой среды (объемно-однородного) самостоятельного разряда практическое значение имеет ВСХ газоразрядного промежутка. Инициирование разряда осуществляется с помощью высокого импульсного напряжения. Для обеспечения нормальной работы излучателя и эффективной накачки активной среды должны выполняться условия (как правило возможно больше), не должна пересекаться с ВСХ (с учетом статического разброса), т. к. в противном случае произойдет пробой в искровой форме (аварийная ситуация).

Этим условиям обычно соответствуют импульсы длительностью от до нескольких . ВСХ и параметры импульсного напряжения определяют экспериментальным путем для каждой конкретной активной газовой среды и конструкции излучателя.

и - длина и диаметр газоразрядного промежутка импульсной лампы.

Форма ВАХ имеет большое значение для обеспечения стабильности электрического разряда. В лазерах непрерывного излучения требуется согласование внешней характеристики ИВН с ВАХ газоразрядного промежутка. Возможны два варианта взаимного расположения внешней характеристики и ВАХ, представленные на рис. (полагаем, что разряд имеет убывающую ВАХ на участке DF)

Разряд будет стабильным, если внешняя характеристика ИВН будет иметь большую крутизну, чем ВАХ (а). При этом разряд поддерживается при напряжении и токе и , которые соответствуют точке пересечения характеристик. В противном случае устойчивое горение разряда невозможно. Для увеличения крутизны внешней характеристики ИВН и согласования ее с ВАХ разряда последовательно с ГРП включается балластное сопротивление (обычно активное - ). Внешняя характеристика описывается формулой

(2.26)

В случае лазеров с диффузионным охлаждением, в которых используется тлеющий разряд с убывающей ВАХ, согласование характеристик достигается при таких значениях , на которых теряется до 50% мощности, передаваемой через ИВН. В случае лазеров с конвективным охлаждением с использованием самостоятельного тлеющего и несамостоятельного разряда, согласование характеристик достигается при меньших значениях, на которых теряется не более 20÷30% мощности ИВН.

Эффективность использования электрического разряда для накачки активной среды лазера и получения лазерного излучения зависит от многих факторов ( конструктивные параметры излучателя, параметры ИВН, состав газовой среды и др.). определение наилучшего сочетания этих факторов является сложной оптимизационной задачей, которая требует своего решения, но пока еще далека от нее.

2.1.10 Полупроводниковые лазеры.

Для получения представления о принципе действия полупроводникового лазера необходимо выполнить энергетическую диаграмму уровней электронов в полупроводниках, которая показана на рис. Она содержит валентную зону уровней В, зону проводимости П, которые разделены запрещенной зоной ΔW. Каждая зона состоит из большого числа близкорасположенных уровней. На одном уровне располагаются не более двух электронов с противоположными спинами (согласно принципу Паули). (указать практическое значение этих зон с точки зрения проводимостей).

Рис.

Распределение электронов по уровням этих зон определяется вероятностной функцией Ферми-Дирака в зависимости от их энергии.

(2.27)

где F- энергия уровня Ферми, физический смысл F: при Т→0

для Е < F и Е > F , т.е. А - это граница между полностью заполненными и незаполненными уровнями.

Допустим, что электроны переведены из валентной зоны в зону проводимости. Внутри каждой зоны за время устанавливается свое распределение электронов по уровням, которое определяется такой же функцией:

, (2.28)

где энергии квазиуровней Фермы валентной зоны и зоны проводимости.

В результате возникает заполнение уровней , которое показано на рис. . Электроны заполняют самые нижние уровни внутри каждой зоны. Причем в валентной зоне в верхней части остаются незаполненные уровни – «дырки». В результате возникает инверсия населенности электронов между зоной П и зоной В. Эти электроны сваливаются из зоны проводимости в валентную зону, рекомбинируют с дыркой и разность энергий выделяется в виде фотона (рекомбинационное излучение). Если такой полупроводник поместить в оптический резонатор, то возникает генерация лазерного излучения с энергией фотона

Рис.

(2.28)

Таким образом, работа полупроводникового лазера эквивалентна генерации по 4 уровневой энергетической схеме.

Теперь необходимо выяснить – каким образом можно получить такое соотношение полупроводника, т.е. осуществить его накачку.

Для того, чтобы обеспечить накачку полупроводникового лазера обычно его изготавливают в виде диода с р-n переходом и с высокой концентрацией элементов более атом/ . В качестве полупроводника широкое применение получил арсенид галлия GaAs. Энергетическая диаграмма перехода показана на рис. при отсутствии напряжения а) и при приложении напряжения в прямом направлении б), заштрихованные области- уровни занятые электронами.

В первом случае (рис. а) уровни Ферми полупроводников ри n типа (Fр и Fn) совпадают, причем Fр попадает в валентную зону полупроводника р типа, а Fn в зону проводимости полупроводника. В p-n переходе возникает потенциальный барьер. При прохождении прямого напряжения и протекании тока диаграмма изменяется (см.рис. б). при этом между уровнями Ферми (Fр и Fn) возникает смещение на величину ∆Е=еU, где U напряжение приложенное к p-n переходу. Для этого материала U≈1.5В. В p-n переходе возникает инверсия населенности электронов и в этой части полупроводника возникает рекомбинационное излучение.

Рис.