Главная страница  Принципиальная схема лазера 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [ 13 ] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

ного тока. Кроме того, для ВЧ-разряда не нужны балластные сопротивления, роль которых играют емкостные эле-менты, что позволяет сократить потери энергии в разрядной цепи. Конструкция электродов газоразрядных камер nponje, чем для разрядов постоянного тока. Более высокая устойчивость разряда допускает введение больших мощностей энергии на единицу объема активной среды.

3.3. Накачка полупроводниковых лазеров

По способу накачки полупроводниковые лазеры можно разделить на инжекционные (рис. 38, а) с оптической накачкой (рис. 38, б) и с накачкой пучком быстрых электронов (рис. 38, в).

При соединении полупроводников р- и п-типов (рис. 16) создается инверсия населенностей. Для поддержания состо-

it 1


Рис. 38. Схемы накачки полупроводниковых лазеров: а - ннжекционный, б -с оптическим возбуждением, в -с возбуждением электронным пучком

яния инверсии необходимо приложить к этому переходу электрическое напряжение и, как показано на рис. 39. При этом через р-п переход потечет электрический ток, состоящий из двух компонентов: электронов п дырок, двигающихся навстречу друг другу. Эти два потока частиц встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, излучая свет. Условие инверсии в р-/г-переходе выполняется с тем большим запасом, чем больше напряженность электрического поля в пере-чоде и, следовательно, чем больший ток протекает через пе-


Г1 - область р-область\

Рис. 39. Энергетическая схема р-п-пе-рехода при наложении напряжения U (е - заряд электрона)

реход. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение сравнимо с поглощением (потерями света), называется пороговым. Если ток, пропускаемый через р-«-переход, больше порогового, то /9-«-переход является усиливающей средой для света, распространяющегося в плоскости р-п-перехода.

Лучший результат дает лазерный переход в арсениде галлия GaAs (см. табл. 2.2), характеризующийся очень высоким Коэффициентом усиления, причем лазеры на основе GaAs Могут работать при комнатной температуре. КПД накачки Дазеров на р-«-переходах превышает 50 % Схема инжек-Ционного лазера на арсениде галлия приведена на рис. 38, а.



в чистом полупроводнике можно добиться инверсии населенностей, облучая кристалл интенсивным светом (оптическая накачка). Если энергия световых фотонов накачки hvn больше ширины запрещенной зоны Ае, то такие фотоны, поглощаясь в полупроводнике, переводят электроны из па-лентной зоны в зону проводимости. При значительно интенсивной световой накачке число переходов может оказаться достаточным для вырождения электронов и дырок. Если же энергия фотона меньше /гУн<Ае, то фотон поглотиться не может, для таких фотонов полупроводник прозрачен. Выгоднее всего облучать полупроводник светом, энергия квантов которого только немного больше Ае. В этом случае рождающиеся лктроны и дырки будут находиться вблизи краев соотвст-"твующих зон. Например, для кристаллов GaAs источником накачки служит излучение рубинового лазера, прошедшее через жидкий азот, в результате несколько уменьшается его длина волны. Поэтому энергия фотона довольно точно совпадает с шириной запрещенной зоны GaAs. Устройство та- кого лазера показано на рис. 38, б. \

Эффективность оптического возбуждения также доста- точно высока (г„~50%), однако при этом следует иметь в виду низкий энергетический КПД рубинового лазера как источника накачки.

Полупроводниковые лазеры с накачкой пучком быстрых электронов (рис. 38, в) перекрывают очень широкий диапа-о" длин волн от инфракрасных до ультрафиолетовых (см. --л. 2.2). Такие лазеры работают в импульсном режиме, их КПД накачки составляет около 20 %.

3.4. Тепловая накачка в газодинамических лазерах

. Характерная особенность молекул азота N2 -сохранятм длительное время колебательное возбуждение, находясь на метастабильном уровне v=l (см. п. 2.3.4)-была замечена в газодинамических экспериментах задолго до создания лазеров При расшиоении горячего азота или воздуха в не очень больших сверхзвуковых соплах Лаваля в кинетическую энеп-гию направленного поступательного движения газа удается пепевести несколько меньшее количество тепловой энергий иагпетого газа, чем это следует нз равновесного расчета течения газов в соплах. Это объясняется тем, что часть полной =>нергии нагретого газа, которая была сосредоточена во внут-

имолекулярных колебаниях N2, не достаточно быстро при-одит в соответствие с поступательной температурой охлаж-ающегося при расширении газа. На рис. 40 приведена зави-:)мость доли полной энсргии, ззпасенной в колебательных . гепенях свободы молекул N2 и СО2 (или КПД по запасу колебательной энергии при тепловом возбуждении Tjjp.,.), от юмпературы.

Из приведенных оценок видно, что колебательная энергия молекул азота при высоких температурах превышает

---- -

/-/-1.

р~5атн

¥ /

/ 1

500 . 500 2500 3000 Т. К

Рис. 40. КПД газовой смеси по запасу колебательной энергии при тепловом возбуждении: / - неразбавленный азот; 2 -смесь 15% С02+83 % N2+2% Н2О; 5-смесь 10% СО2+40% N2-t-50% Не;

---без учета диссоциации COj; - - - с

учетом диссопиацйи

10% полной тепловой энергии нагретого газа и эта энергия может быть «замороженной» при быстром расширении газа 8 соплах. В подразд. 2.4 уже отмечалась принципиальная возможность получения нагретых смесей азота, углекислого газа и воды при сжигании различных топлив. Все эти обстоятельства и предопределили создание газодинамического СОг-лазера, инверсная населенность в котором создается за счет быстрого охлаждения высокотемпературной смеси (N2, СО2, Н2О) в сверхзвуковом сопле до комнатных температур. При этом населенность возбужденных колебательных уров-



ней молекул N2 и СО2 не успевает прийти в соответствие поступательной температурой газовой смеси и запасенна колебательная энергия может быть преобразована в оптиче ское излучение (рис. 41). <

Инверсная населенность образуется непосредственно зд Критическим сечением сопла и может сохраняться достаточна}


Рис. 41. Схема образования инверсии населенностей в СО2-ГДЛ: а - контур сверхзвукового сопла; 6 - изменение по соплу тепловой (Ят), кинетической (Ек) и колебательной энергии Ег, лазерной смеси; в - изменение по соплу температуры смеси и населенностей верхнего (001) и нижнего (100) лазерных уровней молекулы СО2

долго за его срезом, чтобы обеспечить вывод излучения. Эф-1 фективность тепловой накачки определяется в основном двумя факторами: долей колебательной энергии в полной энергии нагретого газа (iicnpx), характеризующей эффективность

использования энергии, затраченной на нагрев газовой смеси, л отношением колебательной энергии газа на выходе из сопла к колебательной энергии, содержащейся в газе на входе и сопло, называемым обычно КПД сопла (или накачки tih)-Тогда эффективность тепловой накачки в газодинамическом лазере с учетом квантового КПД ("Пк) будет равна:

0 СПРТ Езс £о /о л\

= JcnPT 1н к- (3.4)

СПРТ

Коэффициент полезного действия сопла определяется составом, температурой и давлением смеси и конструкцией сопла I лзодинамического лазера. Зависимости tjc от параметра jh, h» {pod») приведены на рис. 42.

Размеры сопла зависят от его критического и выходного сечений или степени расширения. Чтобы обеспечить инверсию населенностей, газовую смесь в ГДЛ нужно охладить

Осесимме/ -- con

тричное ло

Плоское, con/to

3 л,

(Pad)aTM-CM

Рис. 42. КПД сопл ГДЛ (смесь 10% C02-h87% N2-1-3% Н2О)

до температуры ниже 500 К (оптимальная температура для СОг-лазеров, как известно, 350...400 К). В свою очередь, приемлемые уровни КПД по запасу колебательной энергии icnpT (Р**- достигаются при температурах смеси, превышающих 1500 К, поэтому степени расширения сопл газодинамических лазеров (отношений площади выходного сечения к площади критического сечения) для характерных лазерных смесей должны превышать 5о/5*>15... 20. Известно, Что организовать расчетное безотрывное течение в сверхзвуковом сопле можно только, если давление газа на срезе соп-"Ча незначительно меньше атмосферного. Но такие уровни




[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [ 13 ] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

0.0102