Оптоэлектроника

Трех-четырехуровневые системы

Перейдем теперь к более углубленному (по сравнению с рассмотрением в разделе 4.2) обсуждению механизмов накачки с тем, чтобы получить усиление между двумя уровнями. А именно: рассмотрим системы с тремя или четырьмя уровнями. В связи с этим уравнение (4.1) нуждается в некоторой модификации для учета различных механизмов рекомбинации, проявляющихся в таких системах. В этих двух случаях мы будем искать выражения для инверсии заселенности холодного резонатора, ког­да плотность потока усиленных фотонов Нуп в резонаторе равна нулю (Ф12 = 0). В этом случае выражения (4.7) и (4.10) будут действительны, как только уровни инверсии заселенности п(10 будут известны.

На рис. 4.3 схематически показан эффект накачки и механизмы последующего поглощения носителей и их релаксации, проявляющиеся в четырехуровневой сис­теме. Уровень |3) заселяется электронами, возбуждаемыми из уровня |0), и именно процесс релаксации носителей |3) —> |2) ответственен за обеспечения инверсии засе­ленности уровня |2). Заселенность уровня |3) дается соотношением:

^ (4.12)

<1/ г32

Где является результатом оптической накачки носителей с уровня |0):

(4.13)

подпись: (4.13)Лз = И'оз («о - «з)= О 03 («о - «з)

Ф03 представляет собой поток фотонов, связанный с накачивающим пучком. В стацио­нарном состоянии плотность носителей на уровне |3) есть:

П.

 

(4.14)

 

13 >

 

А

 

 

Трех-четырехуровневые системы

Т32 « Т21

 

^32 << ^21

 

Ю>

 

А

 

Рис. 4.3. Динамические процессы заселенности в трехуровневой (а) и четырехуровне­вой (б) системах.

 

Трех-четырехуровневые системы

Поскольку г32 очень мало, мы ожидаем проявление насыщения поглощения только в условиях очень сильной накачки. Стационарная заселенность состояний |2) и |1) дается соотношениями:

■ + -^ = 0

(4.15а)

Где мы пренебрегли переходами типа |3) -»|1) или |2) -> |1) (вклады этих процессов могут быть четко учтены, но это приведет к меньшей четкости общей физической картины ин­тересующих нас физических концепций). К этим трем уравнениям (т. е. к (4.14) и (4.15д)) мы добавим еще закон сохранения полного числа частиц:

(4.156)

(4.16)

подпись: (4.156)
(4.16)
Л0+л, + Л2+Яз=Я Это очень просто приводит нас к выражению для инверсной заселенности:

СГ°3Фг«г,,

• +<С3ФоЛ*2. + 2г32 )

В предположении, что механизм опустошения уровня |1) очень быстр по сравнению с дру­гими механизмами. Заметим, что как и ожидалось, по мере того, как поток фотонов увели­чивается, инверсия насыщается вблизи т21/(т21 + 2г32), что близко к полной заселен­ности п системы (г32 « г21).

На рис. 4.3б представлена также трехуровневая система. В этом случае основ­ное состояние системы также соответствует более низкому уровню, связанному с механизмом усиления. Действуя аналогично приведенным выше рассуждениям в этом случае мы получаем:

<Фв^21 ~ 1

£ф. Л.

<3Фц(^1-^)-1

1 + сГорФ, з(^21 +2г32) 1 + сг,

Трех-четырехуровневые системы

(4.17)

 

Где Ф13 относится теперь к накачивающему пучку фотонов. Сравнивая (4.16) и (4.17) мы замечаем, что в трехуровневых системах существенно труднее добиться инверсии заселен­ности по сравнению с четырехуровневыми. Это связано с тем, что в трехуровневой систе­ме уровень |1) не может опустошаться за счет спонтанных переходов носителей на более низко лежащий энергетический уровень, и это в основном обусловлено поглоще­нием из-за пучка накачки. Рис. 4.4 иллюстрирует достигаемые плотности инверс­ной заселенности в трех - и четырехуровневых системах в функции нормированного потока фотонов Ф/Фм1, где Фм1 относится к фотонному потоку насыщения /сг тм для переходов между основным уровнем |0) или |1) или возбужденным уровнем |§)).

Трех-четырехуровневые системы

Фотонный поток накачки

Рис. 4.4. Сравнение плотнос­ти наведенной инверсной за­селенности в функции нака­чивающего потока фотонов для трехуровневой и четыре­хуровневой систем.

Трех-четырехуровневые системы

Рис. 4.4 иллюстрирует также, каким образом в четырехуровневой системе достига­ется инверсия заселенности для всех значений потока фотонов. В то же время в случае трехуровневой системы инверсия реализуется лишь за пределами опреде­ленного порогового значения накачивающего пучка фотонов, соответствующего условию прозрачности.

Пример---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Особое значение с точки зрения телекоммуникационных технологий, заинтересо­ванных в передаче оптических сигналов на длине волны 1,55 мкм, представляют волоконные лазеры, легированные эрбием. В этом случае атомы эрбия вводятся в волокно на основе двуокиси кремния (Er3+:Si02), что приводит к образованию тре­хуровневой лазерной усиливающей среды. Характеристики системы Er3+:Si02 пред­ставлены в таблице 4.1. К ним следует добавить оптическое поперечное сечение для оптических переходов накачки сг13ор = 2 10-21 см2 и длину волны накачки при Ь(оп = 1,26 эВ (Apump = 0,98 мкм). Условие прозрачности, которое должно быть выполнено перед достижением оптического усиления, выполняется при:

Ф,3а1 = 1/(2 X 10"21 см3 X 10"2 с =5 X 1022 см2 с"1

Или

Transparency = 5 Х 1(F СМ' С"‘ Х 1 >26 ^В X 1,6 X 1019 - 104 Вт/СМ2

При использовании волокна с диаметром сердцевины 10 мкм приведенная выше величина соответствует входной мощности 8 мВт, необходимой для обеспечения инверсии заселенности и выполнения условия прозрачности.

Оптоэлектроника

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Конкуренция мод: перекрестные модуляторы

В дополнении 11.Д мы видели, что вблизи порога полупроводниковый лазер может генерировать в многомодовом режиме несмотря на то. что усиливающая среда яв­ляется однородной. При достаточно сильном возбуждении настолько выше порога, …

Униполярные квантово-каскадные лазеры

Одной из характерных особенностей полупроводниковых лазерных диодов являет­ся то, что в прямо смещенном диоде принимают участие два типа носителей (элек­троны и дырки). Это делает традиционные лазерные диоды биполярными приборами. Существует …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.