Излучений

Рис. 16.4

тродам / прилодшть разность потенцпалоз, соэ.зегсгвующую прд.м)-му включению, и обеспечить достаточно большой ток, то .южно получить инверсию населенностей в слое р-п-перехода. В этом слое происходит возбуждение и усиление света. Оптический резонатор образован двумя параллельными гpaняпI (на рис. 16.4 расположены спереди и сзади), поверхность которых шлифуют. Отражений от грэпицы раздела двух сред (полупроводникового материала и воздуха) достаточно для возбуждения колебаний. Боковые грани структуры не параллельны, их оставляют шероховатыми. В результате лазер создает излучение в направлении, перпендикулярном параллельным граням.

Полупроводниковый лазер из арсе-нида галлия создает излучение в ближней инфракрасной области с длиной волны 0,84 мкм. Возбуждение лазера происходит при некотором пороговом токе, увеличивающемся с ростом рабочей температуры. Поэтому часто применяют охлаждение лазеров до TCNmepary-ры жидкого азота (78 К). Если ток оказывается меньше порогового, то лазер становится источникол! спонтанного излучения и работает в режиме светодио-да. Расходимость излучения и ширина

спектра возрастаюх Рост тока после достижения порогового значения сопровождается увеличением выходной мощности, что позволяет сравнительно просто осуществить амплитудную модуляцию. Средняя выходная мощность уменьшается с ростом температуры. Максимальное значение импульсной мощности, полученной от лазера на арсениде галлия, составляет 100 Вт. При температуре жидкого азота получена длительность импульса порядка нескольких микросекунд, а при комнатной температуре - десятка наносекунд. К- п. д. полупроводникового лазера южeт быть 40-50%, достигая в отдельных случаях 70%. Преимуществом лазера являются малые габариты (0,1 X 0,1 X 0,1 мм).

Направленность излучения лазера на р-п-переходе невысокая. Одной из причин этого являются малые размеры оптического резонатора. Диаграмма направленности излучения в вертикальной и горизонтальных плоскостях различна. Расходимость излучения в горизонтальной плоскости (в плоскости перехода) меньше, чем в вертикальной. Плоский угол расходимости составляет в нервом случае V, во втором - 5-6°,

Самым распространенным нз газовых лазеров является гелий-неоновый лазер (рис. 16.5). В лазере имеются трубка Т со смесью газов гелия и неона (в соотношении до 10 : 1) и окнами О, система внешних зеркал 3, Анод А, катод К и накал Н - электроды трубки.

Усиление света происходит за счет вьшужденного излучения атомов неона. Гелий является вспомогательным газом, своеобразны.м аккумулятором энергии, Инверсия населенностей в неоне создается в процессе элсктрпческоги разряда в смеси газов. Под действием

гьсокого напряжения, приложенного между анодом и катодом труб-1 и, возникает газовьн! разряд. Электроны, движущиеся с большими скоростями, тратят свою кинетическую энергию иа возбуждение ато-ков неона и гелия. Неон быстро теряет полученную энергию в результате спонтанных переходов, населенность его верхних уровней уменьшается. Происходит свечение неона (как в неоновой рекламе). Для создания инверсии населенностей требуется, чтобы процесс возбуждения неона проходил интенсивно. В гелии запрещены излуча гельные переходы, число возбужденных атомов оказывается довольно велико. В результате частых неупругих соударений между атомами гелия и г;еона атомам неона передается дополнительная энергия, что приводит к появлению инверсии населенностей.

У трубки имеется отросток с подогревным катодом, который сии- жает напряжение поджига трубки за счет увеличения начальной концентрации свободных электронов. Окна разрядной трубки расположены под углом Брюстера* к оси резонатора. Если падающий на окно под углом Брюстера свет- поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, то происходит полное отражение. Излучение, поляризованное в плоскости падения, проходит окна в направлении оси резонатора без потерь на отражение. В газовом лазере, где усиление активной среды мало (в единице объема газа число рабочих частиц меньше, чем в твердом теле), в результате потерь энергии на отражение от окон условия самовозбуждения могут не выполняться. Установка окон под углом Брюстера уменьшает потери в окнах для одного вида линейной поляризации. Поэтому в лазере с окнами, установленными под таким углом, генерируются колебания с линейной поляризацией.

Оптический резонатор состоит из двух диэлектрических многослойных зеркал, обладающих большим коэфс)ициентом отражения (0,98) на рабочей длине волны. Для удобства настройки резонатора регули-руел.ое зеркало делают сферическим.

На ри.с. 16.6 показана схема питания газовой трубки. Порядок включения лазера следующий. Сначала включают цепь накала Я, затем тумблером К с выхода выпрямителя подают высокое напряление на а.-юд, после чего кратковременным нажатием кнопки Поджиг до-

* Углом Брюстера а называют угол падения, при котором отраженный и преломленный свет поляризуется полностью: а = arctg П12, где - относительный показатель греломленп.

биваются возникновения газового разряда. НеМе

В момент отпускания кнопки Кн на вторич- *-Vi y

ной обмотке трансформатора появляется им- --1

пульс напряжения, увеличивающий анодное напряжение трубки. Параметры высоковольтного источника выбраны так, чтобы обеспе-

чить поддержание разряда. П г

Гелий-неоновый лазер чаще всего создает .. м J х

излучение в красной области видимого спект- \

ра с А, = 0,63 мкм. Возможно получение колебаний в инфракрасном диапазоне с к = Рис. 16.6 = 3,39; 1,15 мкм. Выходная мощность в непрерывном режиме работы с 1. == 0,63 мкм. составляет десятки или сотни милливатт. Выходная мощность увеличивается с ростом тока разряда. К. п. д. лазера составляет менее 0,1 %. Плоский угол расходимости излучения составляет единицы угловых минут.

§ 16.5. Модуляция лазерного излучения

Излучение лазера можно модулировать по амплитуде, фазе, частоте и поляризации. Наибольшее распространение получила амплитудная модуляция. При этом модулирующий процесс может быть как дискретным, так и непрерывным. Возможна, в частности, импульсно-ко-довая модуляция, амплитудная модуляция поднесущими частотами, которые, в свою очередь, модулированы по частоте. Однако во всех случаях требуется изменение амплитуды лазерного излучения. Управление амплитудой осуществляется несколькими способами.

Проще всего осуществить амплитудную модуляцию по питающей цепи лазера, воздействуя на устройство накачки. Линейность модуляционной характеристики получается невысокой, так как зависимость выходной мощности лазера от питающего напряжения или тока, как правило, нелинейна. Быстродействие может ограничиваться высокодобротной колебательной системой лазера (добротность оптического резонатора составляет 10) и свойствами рабочего вещества. В гелий-неоновом лазере, например, высокое внутреннее сопротивление разрядного промежутка трубки и инерционность элементарных процессов в разряде не позволяют получить широкой полосы частот модуляции. Лучше всех в широком диапазоне частот модулируется по питающей цепи полупроводниковый лазер с р-п-переходом, обладающий очень малым внутренним сопротивлением и имеющий резонатор с низкой добротностью.

Очень часто для амплитудной модуляции применяют устройства с электрооптическими кристаллами, основанные на эффекте Поккельса. Эффект Поккельса состоит в получении искусственной анизотропии* в кристаллах под действием продольного электрического поля. На-

* Анизотропия - зависимость свойстп вещества (в данном случае оптических) от направления. Анизотропия бывает естественная и искусственная,