1.2.6. Другие твердотельные лазеры

Существует ряд кристаллических и аморфных диэлектриков, которые могут быть использованы для получения вынужденного излучения. В отличие от полупроводниковых лазеров в этих устройствах используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение происходит обычно не электрическим, а оптическим способом.

Подпись: Рис.1.20. Схема уровней рубинового лазера

Типичным является лазер на рубине (Т. Мейман, 1960), т. е. кристалле А12О3 с примесью хрома, который в виде ионов Сг3+ замещает небольшую часть (0,05%) атомов А1. Уровни хрома располагаются в пределах широкой (~ 6 эВ) запрещенной зоны А12О3, и процессы поглощения энергии и излучения могут происходить внутри этих центров свечения (рис. 1.20). Свет от мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня Е1на возбужденные уровни Е3 и Е4, образующие две широкие полосы. Примерно через 1·10-8с электроны падают на метастабильные уровни Е2, на которых они могут находиться около 1·10-3с. Разница энергий Е3 — Е2превращается в теплоту. На уровнях Е2происходит накопление электронов, создается инверсная заселенность этих уровней по отношению к уровням Е1 и свет с частотой v, удовлетворяющий условию hv = E2E1, может вызвать вынужденные переходы электронов с уровней Е2на уровни Е1. Соответствующее излучение имеет длину волны 0,69 мкм (красный свет).

Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см, торцы которого отшлифованы и служат зеркалами. Усиление и излучение света происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств более употребительным является лазер на кристаллах иттриево-алюминиевого граната с примесью неодима Y3Al5O12:Nd3 + . Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия и может излучать на длине волны 1,06 мкм (инфракрасный свет). Для возбуждения могут использоваться как газоразрядные источники света, так и светодиоды типа GaAlAs с излучением на λ = 0,81 мкм, соответствующей полосе поглощения неодима. Благодаря повышенной концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт), что позволяет снижать размеры устройства (до ~ 1 см). К. п. д. таких лазеров равен примерно 1%, хотя у лазеров на основе редкоземельных скандиевых гранатов он может быть в 4—5 раз выше.

Твердотельные лазеры уступают инжекционным полупроводниковым лазерам по эффективности, они имеют большие размеры и требуют высоких напряжений (~103В) при использовании газоразрядных источников возбуждающего света. Для управления интенсивностью светового пучка необходимы дополнительные устройства (см. гл. 3).

Газовые лазеры (в частности, гелий — неоновые) еще менее удобны для использования в оптоэлектронике, так как они обладают сравнительно большими размерами (около 15 см), требуют высоковольтного питания (до 1 • 104 В), имеют низкий к. п. д. (0,1%) и малую мощность световых потоков (~10-3 Вт). В то же время газовые лазеры создают излучение с наименьшей шириной спектральных линий и расходимостью световых пучков.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.