WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» Светцов В. И.

ОПТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Учебное пособие Допущено учебно-методическим объединением по химикотехнологическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по специальности 251000 – «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники».

Иваново 2004 4 УДК 621.38 Оптическая и квантовая электроника: Учебное пособие / В. И. Светцов;

Иван. гос. хим.-техн. ун-т; Иваново, 2004. 122 с. ISBN № 5-9616-0024-6 Учебное пособие «Оптическая и квантовая электроника» предназначено для студентов, изучающих соответствующие разделы в дисциплинах «Физическая электроника и электронные приборы» и «Квантовая и оптическая электроника». Его содержание соответствует стандартам специальностей 251000 и 200100.

Табл. 13. Ил. 42. Библиогр. 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета.

Рецензенты:

кафедра молекулярной физики ИвГУ. Зав. кафедрой доктор химических наук, профессор В. В. Зайцев (Ивановский государственный университет);

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроника и микропроцессорные системы» ИГЭУ А. И. Терехов (Ивановский государственный энергетический университет).

ISBN № 5-9616-0024-6 © ГОУВПО Ивановский государственный химикотехнологический университет, 2004 5 ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1.1.ВВЕДЕНИЕ. ЭТАПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Квантовая электроника - это область науки и техники, посвященная исследованию и применению квантовых явлений для усиления, генерации и преобразования когерентных электромагнитных волн. Отметим основные этапы развития квантовой электроники.

1917 г. А. Эйнштейн выдвинул гипотезу о существовании стимулированного излучения. Строгое обоснование существования индуцированного излучения и наличия когерентности в элементарном акте излучения проведено Дираком в созданной им квантово-механической теории излучения.

30-е годы. Р. Ладенбург и сотрудники сделали попытку обнаружить стимулированное излучение в газовом разряде.

1940 г. В. А. Фабрикант сформулировал условия экспериментального обнаружения стимулированного излучения в газовом разряде.

1950 г. Е. Парсел, Р. Паунд получили стимулированное излучение в результате инверсии ядерных спинов.

1951 г. В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский, Ф. И. Бутаева подали заявку на авторское свидетельство на способ усиления излучения с помощью стимулированного излучения. К сожалению, материалы были опубликованы только в 1959 году, поэтому практического влияния на создание ОКГ эта заявка не оказала.

1953 г.-1954 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, Дж. Вебер, Дж. Гордон, Х.

Цайгер, Ч. Таунс (США) получили генерацию на пучке молекул аммиака в сантиметровом диапазоне с использованием их сортировки в магнитном поле (первый мазер).

1958 г. Ч. Таунс, А. Шавлов (США), А. М. Прохоров показали возможность использования вынужденного излучения в оптическом диапазоне.

1960 г. Т. Мейман создал рубиновый ОКГ. А. Джаван создал газовый лазер на смеси гелия и неона.

1958 г.-1961 г. Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов и другие сотрудники ФИАН им. Лебедева разработали теоретические основы полупроводниковых лазеров и в 1962-1963 г. в ФИАНе были созданы практические конструкции полупроводниковых лазеров.

1962 г. Р. Холл создал лазер на арсениде галлия с использованием n-pперехода.

1964 г. В. Бриджес разработал ионные газовые ОКГ с повышенной мощностью.

1965 г. К. Пейтел разработал мощные молекулярные газовые ОКГ на смеси углекислого газа, азота и гелия.

Термин "Лазер" образован из полного английского названия: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает "усиление света с помощью вынужденного испускания излучения". Необходимо помнить, что термин "свет" означает в данном случае не только излучение в видимой области (0,38-0,77 мкм), но также в ультрафиолетовой (0,01 - 0,38 мкм) и инфракрасной (0,77 - 340 мкм) областях электромагнитных колебаний. В отечественной литературе наряду с термином "лазер" часто используется название "оптический квантовый генератор" или сокращенно ОКГ.

Лазеры - это принципиально новые источники оптического излучения. В отличие от теплового излучения и люминесценции излучение лазеров обладает высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью и высокой спектральной плотностью мощности.

Перспективы применения лазеров настолько широки, что трудно назвать область науки или техники, где ОКГ не применяются или не будут применяться. По словам создателя первого лазера американского ученого Меймана, когда будет решена задача управления лучом ОКГ и обеспечения приемлемого КПД, их применение будет ограничено, в сущности, лишь воображением и изобретательностью инженеров.

Дальнейшее развитие науки, техники и производства в настоящее время неразрывно связано с использованием открытий и достижений в области лазерной техники. Уже в настоящее время лазеры широко применяются в метрологии и измерительной технике, мониторинге окружающей среды, космической технике, технологии обработки материалов, химической технологии и химическом анализе, медицине, сельском хозяйстве, строительстве, военной технике, интегральной и волоконной оптике, информационных системах и везде их использование дает поразительные результаты. Так, без лазеров невозможно развитие и применение практической голографии.



Однако это только начало использования свойств лазерного излучения. В будущем лазеры найдут еще более широкое применение. Создаются все более совершенные лазерные системы с различными принципами работы, использующие в качестве активного вещества новые материалы, смеси различных веществ. В ближайшее время можно ожидать широкого распространения портативных, сравнительно экономичных, надежных в эксплуатации и достаточно мощных полупроводниковых, жидкостных и химических лазеров, излучающих энергию в широком диапазоне волн. Уже решается вопрос о получении лазерного излучения в рентгеновской области, а также в области -излучения.

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ Существует три возможных процесса взаимодействия квантовых систем и электромагнитного излучения, которые схематически показаны на рис.1.1.

n n n h h h m m m а б в Рис.1.1. Квантовые переходы при взаимодействии с фотоном:

а - спонтанный переход с испусканием фотона; б - вынужденный переход с поглощением фотона; в - вынужденный переход с испусканием фотона.

Рассмотрим переходы частицы из одного состояния в другое с выделением или поглощением энергии электромагнитного поля. Возбужденная частица в произвольный момент времени может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние, излучив при этом квант света. Такое излучение называется спонтанным.

Скорость спонтанного перехода с уровня n на уровень m определяется выражением:

dNn = AnmNn, (1.1) dt где Nn - концентрация частиц на уровне n. Коэффициент Anm есть вероятность перехода или коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения, [c-1].

Величина, обратная Anm, называется спонтанным временем жизни.

Значение коэффициента Эйнштейна для спонтанных переходов в оптическом диапазоне может изменяться от 108 с-1 для разрешенных переходов до 1 с-1 для запрещенных переходов.

Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы излучают независимо и несинхронно. Поэтому спонтанное излучение ненаправленно, некогерентно, неполяризовано и немонохроматично. Такое естественное излучение испускают все обычные источники света.

Другим оптическим процессом является поглощение излучения частицей, переходящей в результате этого в возбужденное состояние. Скорость поглощения:

dNm (1.2.) = -Bmn()Nm dt где Bmn - коэффициент Эйнштейна для вынужденного поглощения, () - спектральная плотность излучения, Nm - концентрация частиц на уровне m.

Однако эти два процесса не объясняют всех закономерностей взаимодействия излучения со средой. При взаимодействии возбужденной частицы с фотоном возможен переход частицы в состояние с меньшей энергией - при этом излучается дополнительный фотон. Этот процесс носит название вынужденного или стимулированного излучения. Скорость этого процесса:

dNn = -Bnm()Nn, (1.3.) dt где Bnm - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения, P() - спектральная плотность излучения, Nn - концентрация частиц на уровне n.

Произведение В() имеет размерность, обратную времени. Следует отметить, что Bnm = Bmn с точностью до постоянного множителя. Связь между коэффициентами спонтанного и вынужденного испускания определяется соотношением:

Anm 8h=. (1.4) Bnm cСтимулированное излучение является процессом, составляющим физическую основу работы ОКГ. Существует весьма интересная особенность стимулированного излучения - вторичный фотон неотличим от первичного, стимулирующего фотона. Оба фотона характеризуются одинаковыми параметрами: частотой, фазой, импульсом и поляризацией. В инверсной среде, используемой в ОКГ, стимулированное излучение становится процессом, который определяет механизм размножения фотонов.

Предположим, что на систему, содержащую частицы m и n, падает электромагнитная волна с частотой и со спектральной плотностью (). При этом единицей объема среды в процессе вынужденного поглощения поглотится мощность, равная:

Wn = hBnm()Nm. (1.5) В то же время в процессе вынужденного излучения выделится мощность:

WЏЌ‘ = hBnm()Nn. (1.6) Разность этих мощностей представляет собой мощность излучения, вышедшую из активной среды:

WЏЌ‘ - Wn = hBnm()[Nn - Nm ]. (1.7) В уравнении 1.7 учтено, что Вmn = Вnm. Очевидно, что если Wизл больше Wп, то мощность волны будет увеличиваться по мере прохождения среды. В противном случае среда поглощает волну.

Таким образом, при выполнении условия Nn больше Nm, то есть при наличии в системе инверсной заселенности уровней, можно получить оптический квантовый усилитель света. Инверсия заселенностей является необходимым, но недостаточным условием для получения усиления в данной среде. Необходимо так же, чтобы усиление за счет процессов вынужденного излучения превышало все возможные потери.

Рассмотрим подробнее вопрос о коэффициенте усиления системы.

Изменение интенсивности излучения при прохождении оптически активной среды описывается уравнением:

dIv = -xvIvdx, (1.8) представляющим собой закон Бугера в дифференциальной форме. Здесь xv - коэффициент поглощения. Если в рассматриваемой среде существует инверсная заселенность, то коэффициент поглощения меньше нуля, то есть волна не затухает, а усиливается. В этом случае о среде с инверсной заселенностью можно говорить как о среде с отрицательным коэффициентом поглощения.

Установим связь между коэффициентом поглощения и инверсной заселенностью уровней. Перепишем уравнение (1.8) в виде:





dIv xv =. (1.9) Ivdx Очевидно, что смысл xv - это относительное приращение потока энергии на единице пути. Энергия, выделяемая в единице объема в единицу времени, определяется уравнением (1.9) и представляет собой производную интенсивности излучения по расстоянию. С учетом изложенного можно записать:

hBnm (Nn - Nm )() xv = -, P()c hBnm(Nn - Nm) xv =-. (1.10) c Для лазерных сред отрицательный коэффициент поглощения получил название коэффициента усиления. Он непосредственно характеризует усилительные свойства среды.

При распространении волны в инверсной среде часть ее интенсивности теряется за счет различных потерь. Этот процесс так же можно описать уравнением Бугера:

dIv = -xпIvdx, (1.11) где xп - коэффициент потерь. Учитывая потери в среде и усилительные ее свойства, окончательное уравнение изменения интенсивности волны можно представить в виде:

dIv = (xv - xп )Ivdx. (1.12) Очевидно, что усиление будет иметь место при xv >> xп то есть необходимо иметь некоторую критическую или пороговую инверсную заселенность, определяемую выражением:

hBnmNпор xп =, с Nпор = (N - Nm). (1.13) n Усилительные свойства среды можно улучшить, если использовать положительную обратную связь, то есть возвращать часть сигнала в активную среду, обеспечивая многократное прохождение его. При этом достигается гораздо большее усиление. Если усиление существенно перекрывает потери среды и системы обратной связи, то произойдет самовозбуждение усилителя, начнется генерация излучения.

Интегральное усиление сигнала в инверсной среде характеризуется коэффициентом усиления, представляющим отношение величины выходного сигнала к входному:

Pвых K =. (1.14) Pвх В случае, когда усиление значительно, указывают коэффициент усиления в децибелах:

Pвых K = 10lg( ), дБ (1.15) Pвх Мы рассмотрели влияние инверсной среды на характеристики проходящего излучения. Однако изменения происходят и в инверсной среде.

Увеличение плотности излучения в среде вызовет уменьшение плотности инверсии, так как баланс процессов изменится в сторону обеднения верхнего уровня и дополнительного заселения нижнего уровня. Этот процесс называется насыщением усиления и определяет нелинейный характер усиления излучения инверсной средой.

1.2.1. Форма и ширина спектральной линии В предыдущем рассмотрении не учитывалась ширина спектральной линии. Но любая спектральная линия имеет конечную ширину, связанную с вероятностями переходов. Поэтому вопрос о форме и ширине спектральной линии целесообразно рассмотреть подробнее.

Энергетическому переходу между двумя бесконечно узкими энергетическими уровнями должна соответствовать бесконечно узкая спектральная линия поглощения или излучения на строго фиксированной частоте. Реально такая идеализированная монохроматическая волна существовать не может, поскольку уровни энергии имеют конечную ширину.

Поэтому излучение происходит в некотором интервале частот около о. На этой частоте мощность излучения максимальна и убывает на частотах, больших или меньших чем о. Частотный интервал, в пределах которого интенсивность убывает вдвое по сравнению с максимальным значением, называется шириной спектральной линии N. Ширина спектральной линии, определяемая спонтанными переходами, называется естественной шириной, которая прямопропорциональна вероятности спонтанного перехода:

Anm nm N = = Dnm 2 (1.16) 3hc3gm где gm - кратность вырождения уровня |Dnm| - матричный элемент дипольного момента перехода Форма спектральной линии с естественной шириной описывается функцией Лоренца, которую иногда называют форм-фактором:

N F = (1.17) - o ( )2 N + Эта функция нормируется: Fd = 1 (1.18) С естественной шириной спектральной линии тесно связано время жизни частицы в возбужденном состоянии. Как уже отмечалось, время жизни есть величина, обратная вероятности перехода. Время жизни в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, определяет и ширину энергетического уровня:

h Enm = (1.19) 2nm Наиболее широкими оказываются уровни с малым временем жизни и большой вероятностью перехода. Соотношение ширины линии и ширины перехода наглядно иллюстрируется рис.1.2.

Форму спектральной линии можно выразить и как функцию длины волны:

= 2с (1.20) Для классического осциллятора естественная ширина линии, выраженная в длинах волн и называемая так же радиационной шириной, является универсальной постоянной:

e = = 12 10-14 м (1.21), 3oc2m Рис.1.2. Представление реального и идеального энергетического уровня.

В реальных условиях существует ряд факторов, приводящих к увеличению ширины спектральной линии по сравнению с естественной шириной. Рассмотрим некоторые из них.

1. Доплеровское уширение.

Эффект Доплера есть изменение частоты (длины волны), наблюдаемое при движении источника излучения относительно приемника. Частота излучения увеличивается, если источник приближается к наблюдателю.

Частота электромагнитных волн, которую воспринимает наблюдатель, относительно которого он движется со скоростью v, может быть найдена из уравнения:

v = o 1+ cos при v << c (1.22) c Хаотичность теплового движения молекул в газе дает форму спектральной линии, описываемой функцией Гаусса:

ln 2 / G = exp - ln 2 - o / 2 (1.23) ){ [( ]} 2kT ln с шириной D = o mcДоплеровское уширение в газовых активных средах достигает 1000 МГц, тогда как в твердых телах оно незначительно из-за жесткой связи ионов активатора с решеткой.

2. Уширение при столкновениях.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.