ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
Лазеры на основе кристаллических диэлектриков
Помимо полупроводниковых, известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков. Обычно эти устройства используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение происходит не электрическим, а оптическим способом. Разновидности и параметры твердотельных лазеров иллюстрирует рис. 5.3.
|
Длина волны, мкм Рис. 5.3. Разновидности и параметры твердотельных лазеров |
|
Рис. 5.4. Схема уровней рубинового лазера |
В 1960 г. Т. Мейман описал лазер на основе рубина. Кристалл А1203 содержит примеси хрома в виде ионов Сг3+. При этом небольшая часть атомов алюминия (0,05%) замещается атомами хрома.
Уровни хрома располагаются в пределах широкой запрещенной зоны А1203 (АИ'» »6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения (рис. 5.4).
Свет мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня Е, на возбужденные уровни £3 и £,, образующие две широкие полосы. Примерно через 10 НС электроны падают на уровень £2, называемый метастабшьньш. Здесь они могут находиться, примерно, 10_3 с. Разница энергий £3 - £2 превращается в теплоту.
На уровнях Е2 происходит накопление электронов и создается инверсная населенность по отношению к уровню Ех.
Свет с частотой V, согласно условию /»V = Е2 - Е вызывает вынужденные переходы с уровней Е2 на Е. Излучение имеет длину волны, соответствующую красному свету (А. = 0,69 мкм).
Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 5.5.
|
Рис. 5.5. Конструкция твердотельного лазера: 1 — стержень активного вещества; 2— инфракрасный светодиод; 3 — оптическая среда; 4 — теплоотвод; 5 — фиксирующая оправка |
Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Торцы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.
Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кристаллов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси неодима (Y3Al50|2:Nd3+). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать инфрактрасные светодиоды из GaAlAs с длинной волны (Д,« 0,081 мкм), соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт).
Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см); кпд YAG-лазеров составляет 1-20 %.
При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50%-ное использование оптической энергии.
Основной режим работы твердотельных лазеров — импульсный. Для них характерны большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие из них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки.
Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентности, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического кпд.
