Квантовая эффективность лазеров

Лазеры на парах меди работают со средней выходной мощностью до 40 Вт в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса порядка 50 не и с частотой повторения импульсов до 20 кГц >. На сегодняшний день они являются наиболее эффективными (КПД 1 %) лазерными источниками в зеленой области спектра. Этот относительно большой КПД связан как с высокой квантовой эффективностью медного лазера ( 55% см. рис. 6.9), так и с большим сечением перехода S /2- P при электронном ударе. Крупная установка с примерно 50 параллельно работающими лазерами на парах меди используется на ведущем в США заводе по разделению изотопов Лазеры на парах меди также используются для многих научных применений и в некоторых промышленных приложениях (таких, как высокоскоростная фотография и подгонка интегральных резисторов). Лазеры на парах золота все больше применяются для лечения опухолей. [c.353]

Промышленностью изготавливаются аргоновые лазеры с водяным охлаждением мощностью 1—20 Вт, генерирующие на синем и зеленом переходах одновременно или только на одной линии при использовании конфигурации рис. 5.4, а. Также выпускаются маломощные (<1 Вт) аргоновые лазеры с воздушным охлаждением. В обоих случаях выходная мощность над порогом резко увеличивается с ростом плотности тока ( Я), так как в аргоновом лазере, в противоположность тому, что происходит в Не—Не-лазере, нет процессов, приводящих к насыщению инверсии. Однако КПД лазера очень мал (< 10- ), поскольку мала квантовая эффективность ( 7,5 % см. рис. 6.11) и возбуждение электронным ударом происходит на множестве уровней, которые не связаны эффективным образом с верхним лазерным уровнем. Аргоновые лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множества научных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерных принтерах, в лазерной хирургии и в техническом оснащении развлекательных программ. [c.357]

По сравнению с предельными значениями экспериментально полученную чувствительность структур МДП—ЖК с кристаллами BSO и BGO нельзя считать высокой. Кроме указанного факта и малой квантовой эффективности полупроводников на ее снижение влияет также низкое использование световой энергии длина волны возбуждающего излучения гелий-кадмиевого лазера соответствует хвосту области поглощения, которое составляет здесь всего 80 см->. Тем но менее полученные значения на порядок и более превосходят чувствительность структур типа пром с теми же полупроводниковыми кристаллами. [c.176]

Прямое отношение к эффективности лазера имеет достаточно сложная в реализации проблема создания высококонцентрированных неодимовых стекол. По мере повышения концентрации ионов активатора возрастает скорость миграции энергии возбуждения и, как правило, интенсифицируются процессы тушения запасенной в активаторе энергии возбуждения. Детальный анализ процессов переноса энергии возбуждения в неодимовых стеклах позволил решить проблему создания высококонцентрированных стекол с высоким квантовым выходом люминесценции, а также родственную по физике процессов проблему сенсибилизированных стеклянных активных сред (см. гл. 1). [c.8]

Укажем еще на одну особенность преобразователя частоты вверх, которая пока оставалась вне нашего внимания, — на его способность запасать энергию регистрируемого сигнала . Другими словами, поскольку квантовая эффективность преобразования зависит от мощности лазерной накачки и поскольку большинство твердотельных лазеров ограничено со стороны средней, а не пиковой мощности (запасом энергии при инверсии населенности), то преобразователь частоты вверх обеспечивает возможность создания такого детектора, который работает либо в непрерывном режиме с умеренной эффективностью, либо с очень высокой эффективностью в течение коротких вспышек, сопровождающихся затем периодами, когда детектор вообще не способен регистрировать сигналы. Подобный режим работы детектора особенно подходит для решения задач лазерной локации, когда приблизительно известно время возвращения отраженного сигнала, либо для использования его в схемах синхронного детектирования излучения пульсирующих источников с известным периодом и фазой. Ко времени написания данной книги экспериментальных исследований указанной способности преобразователей частоты вверх к синхронному детектированию пульсирующего излучения проведено не было, хотя имеется работа [113], содержащая результаты анализа ожидаемых характеристик подобного детектора. [c.178]

Смит и Таунс вычислили, что в случае преобразователя частоты вверх на ниобате лития с накачкой от рубинового лазера при квантовой эффективности, равной 1%, вклад квантового шума в детектируемый на суммарной частоте сигнал составлял бы приблизительно 10 квантов в секунду. Если бы эта величина квантовой эффективности поддерживалась в непрерывном режиме, тогда квантовый шум, генерируемый описанным образом, был бы основным ограничивающим фактором. Правда, в приведенном примере поток мощности излучения накачки составлял величину порядка 10 Вт/см и площадь пучка была 1 см . Пересчет результата к величинам, характерным для непрерывных потоков излучения, приводит к тому, что указанный эффект будет пренебрежимо мал. Оказывается, что един- [c.180]

Инжекционные лазеры часто характеризуют дифференциальной квантовой эффективностью [5, 9] [c.108]

Практически эффективность действующего газового лазера значительно ниже, чем его квантовая эффективность, так как не существует [c.57]

Совсем иначе обстоит дело с молекулами, колебательно-вращательные уровни которых, принадлежащие основному электронному состоянию молекулы, идеальны для эффективных и мощных лазерных систем в инфракрасной области. Колебательные уровни основного электронного состояния очень близки к основному уровню молекулы, и поэтому энергия лазерного фотона является заметной частью полной энергии, необходимой для возбуждения молекулы из основного состояния на высший лазерный уровень. В результате квантовая эффективность очень высока по сравнению с эффективностью инфракрасного лазера на одноатомном газе. Вдобавок, так как колебательные уровни находятся близко от основного состояния молекулы, почти все электроны, присутствующие в разряде, будут участвовать в процессе возбуждения. Этот факт гарантирует высокую рабочую эффективность, так же как и большую выходную мощность, так как теперь можно получить большую плотность населенности верхнего уровня молекулы. [c.61]

Хотя выполнение порогового условия имеет существенно значение для работы лазера, рассмотрим здесь другие характеристики. Спектральные характеристики лазерного излучения зависят от свойств резонатора. Рисунки 10.10 и 10.11 иллюстрируют поведение полупроводникового лазера по обе стороны от порога. Из рис. 10.10 видно, как можно определить пороговый ток. Крутизна ватт-амперной характеристики в области спонтанного излучения соответствует внешней квантовой эффективности, рассмотренной в 8.5. Крутизна этой характеристики [c.284]

Характерная особенность упомянутых открытых оптических систем связи заключается в том, что а них используются самые обычные элементы. Успешное развитие таких систем зависит от тщательности разработки конструкции, которая должна удовлетворять конкретным требованиям заказчика. Закончим этот раздел коротким упоминанием о гораздо более совершенных по технологии систе.мах. Имеется в виду экспериментальная система для связи в полевых условиях, разработанная в 1972 г. в США для военных целей. В этой системе используется эффективный лазер на СОг, излучающий на длине волны 10,6 мкм. Были созданы варианты системы, использующие модуляцию как интенсивности, так и частотную, причем в обоих случаях детектирование осуществлялось методом гетеродинирования (с использованием гетеродина и охлаждаемых полупроводниковых фотодетекторов). Эксперименты подтвердили, что может быть получена очень высокая чувствительность оптического приемника, приближающаяся к квантовому пределу. Эти первые системы стали основой для систем спутниковой связи. Отметим, что оптические системы, разработанные для определения дальности, идентификации целей и дистанционного зондирования, используют те же самые методы генерирования, излучения и детектирования оптических сигналов, которые нашли применение в оптической связи. [c.424]

В большинстве лазеров длина волны излучения лежала в диапазоне 1,00—1,06 мкм лучшие лазеры излучали на длинах волн около 1,00 мкм. Толщина активной области была уменьшена до 0,3 мкм. Величина дифференциальной квантовой эффективности достигала 0,35 [92]. Для лучших образцов /пор(300 K)/ i л 4,0-10 А/см мкм [92]. [c.70]

Измеряя зависимость /пор от длины резонатора, можно получить численные оценки некоторых параметров лазера. Выражение (3.8.33) для дифференциальной квантовой эффективности можно записать в виде [c.203]

Рис. 7.5.2. Свойства ДГС-лазеров с РВ при толщине активной области между 0,5 и I мкм в зависимости от толщины л-слоя с1 [86]. а — пороговая плотность тока б — дифференциальная квантовая эффективность.

Дифференциальная квантовая эффективность ДГС-лазеров 225, 324, 326 ДГС-РО-лазеров 237, 324 ОГС-лазеров 199, 324 лазеров с расширенным волноводом 230 [c.359]

В 1899 г. П. Н. Лебедеву удалось измерить действительное значение светового давления. До тех пор, пока приходилось иметь дело со сравнительно слабыми плотностями энергий, конструкции приборов с использованием светового давления оказывались неудачными. Только после появления оптических квантовых генераторов (лазеров) применение пондеромоторного эффекта оказалось настолько эффективным, что удалось, даже не прибегая к вакуумированию, создать крутильные весы, измеряющие энергию светового пучка. Радиометрический же эффект до сих пор не получил исчерпывающего количественного объяснения и приобрел значение самостоятельной задачи, которой занимались многие известные физики. [c.26]

Обычно для определения /пор измеряют ток фотодиода h только при токах накачки лазера, превышающих пороговое значение (рис. 3.8.11). Другой полезной величиной, которая может быть определена по графику зависимости Id от /i, является дифференциальная квантовая эффективность По [c.208]

ДГ-лазеров. Заметим, что благодаря использованию полосковой геометрии пороговый ток /пор при комнатной температуре не превышает 100 мА. Заметим также, что /пор резко увеличивается с температурой. Для большинства диодных лазеров эмпирически было найдено, что этот рост подчиняется закону /пор ехр(7 /7 о), где То — характеристическая температура, зависящая от конкретного диода. Значение этой температуры служит показателем качества диодного лазера. Действительно, отношение двух значений порогового тока при двух значениях температуры, отличающихся между собой на величину ДГ, определяется из выражения /пор,//пор,= = ехр(Л7/7о). Следовательно, чем больше То, тем менее чувствителен пороговый ток /пор к изменению температуры. В случае рис. 6.47 можно сразу определить, что 7о 91 К (обычно То лежит в диапазоне от 70 К для худших лазеров до 135 К для лучших). Заметим, что на рис. 6.47 выходная мощность ограничена значением порядка 10 мВт. Большие выходные мощности (обычно выше 30—50 мВт) могут привести к столь высоким интенсивностям пучка, что могут разрушиться грани полупроводника. Заметим, что дифференциальный КПД лазера дается выражением y s = dP/Vdl, где V—напряжение источника питания. Выбрав V та 1,8 В, получаем T]i- = 40 %. В действительности имеются сообщения даже о более высоких дифференцнальных КПД (вплоть до 60 7о). На самом деле внутренняя квантовая эффективность (доля инжектированных носителей, которые рекомбинируют излучательно) еще больше (около 70 7о). Это [c.416]

Рис. 6.30. Характеристики ПГС на кристалле AgGaS , накачиваемом основной частотой YAG Nd + лазера а — перестроечные кривые б — зависимость квантовой эффективности от длины волны светлые кружки — сигнальная волна, темные — холостая [91]

Для создания ПГС в ИК диапазоне весьма перспективно использование кристаллов AgGaSj, обладающих высокой нелинейностью и широким окном прозрачности от 0,6 до 13 мкм. На рис. 6.30а приведена перестроечная кривая этого генератора с накачкой от YAG лазера. Рис. 6.306 иллюстрирует зависимость квантовой эффективности от длины волны излучения [91]. [c.279]

Аналогичная постановка эксперимента имела место и в [241], где, благодаря дисперсионному согласованию, удалось перевести в видимую область излучение глобара в диапазоне При использовании в качестве источника накачки Nd. " лазера в частотном режиме реализована средняя квантовая эффективность — 2 %. По мнению авторов, при использовании непрерывного Nd + YAG-лазера с оптимальной фокусировкой впол- [c.137]

У большинства РОС- и РБО-лазеров дифференциальная квантовая эффективность не превышает единиц процентов, пороговая плотность тока 3—7 кА/см что затрудняет реализацию их функционирования при комнатной температуре. Одним из способов снижения /пор в РОС-и РБО-лазерах является использование решеток с блеском , т. е. с профилем, оптимизированным для определенного диапазона к и углов дифракции. Можно показать, что асимметрия треугольного профиля позволяет повысить /iamax более чем на порядок по сравнению с симметричным профилем. Увеличение глубины профиля в некоторых пределах такжё ведет к возрастанию max при ЭТОМ, однако, ухудшается спектральная селективность. Таким образом, оптимальное значение глубины решетки следует выбирать из компромиссных соображений. Значительное внимание уделяется исследованию и оптимизации ИЛ с РБО. В отличие от РОС-лазеров в РБО-лазерах резонанс отражения приходится на брэгговскую частоту и не подвержен расщеплению. Технология их изготовления относительно проще, чем РОС-лазеров, так как гетероструктуры формируются за один эпитаксиальный процесс, который не требуется прерывать для изготовления решетки, и, кроме того, исключается очень сложная операция заращивания профилированной поверхности. Другое существенное преимущество определяется тем, что дифракционная решетка наносится на пассивный участок волноводного слоя и не усугубляет деградацию характеристик лазера, в то время как использование структур с раздельным ограничением позволяет значительно снизить оптические потери на пассивном участке и обеспечить эффективное взаимодействие световой волны с решеткой. Основные структуры РОС- и РБО-лазеров показаны на рис. 6.14 [12, 18]. Лазеры с периодической структурой [c.118]

Энергия, выделяемая частицами при падении с низшего лазерного уровня в основное состояние, не вносит никакого вклада в выходную мощность лазера. Следовательно, определенное количество энергии бесполезно расходуется каждой частицей, совершающей лазерный переход. Этот факт дает нам в руки простой способ оценки эффективности данной лазерной системы. Количество энергии, бесполезно потраченной частицей при возвращении с низшего лазерного уровня в основное состояние, равно разности двух энергий энергии, необходимой для возбуждения частицы на высший лазерный уровень, и энергии фотона, испускаемого при переходе частицы с верхнего лазерного уровня на нижний. Следовательно, отношение этих двух величин — излученной энергии и энергии возбуждения — является мерой эффективности, которую может давать данная лазерная система. Положение, при котором каждая возбуждаемая на высший лазерный уровень частица вносит один фотон в лазерное излучение, является, конечно, идеальным. Оно предполагает, что другие механизмы, такие как переходы на другие низшие энергетические уровни, пренебрежимо малы по сравнению с высвечиванием частицы на верхний лазерный уровень. Поэтому отношение энергии испзгщенного фотона к энергии возбуждения есть в действительности абсолютный максимум эффективности (или, как иногда называют, квантовая эффективность) лазерной системы. [c.57]

Из-за нерезонансной природы превращения колебательной энергии в кинетическую высвечивание молекул С0г(010) может замедлиться и создать узкое место в полном цикле возбуждения и высвечивания. Это приведет к уменьшению эффективности и выходной мощности. Даже для лазера на чистом углекислом газе, который я испытывал сначала, механизм высвечивания был достаточно быстрым, чтобы позволить возникнуть сильным лазерным колебаниям на колебательно-вращательных переходах 001- 100 и 001- 020 с длинами волн 10,6 и 9,6 микрон соответственно. Оказалось, что из-за большей вероятности испускания переходы на длине волны 10,6 микрон примерно в 10 раз интенсивнее переходов с длиной волны 9,6 микрон. В дальнейшем мы будем рассматривать только переходы с длиной волны 10,6 микрон. Совершенно ясно, сто возбуждение нри столкновении с электроном, имеющее место в разряде в чистом углекислом газе, пе может давать достаточно высокоселективное возбуждение молекул на высший лазерный уровень, необходимое для получения практической эффективности, приближающейся к квантовой эффективности системы. Причина заключается в том, что электроны могут возбуждать молекулы углекислого газа также на уровни, отличающиеся от ООуз, Это вызывает уменьшение эффективности и выходной мощности. Для получения необходимой высокой эффективности существует несколько видов селективного возбуждения молекул углекислого газа на высший лазерный уровень. Такое селективное возбуждение имеет место, когда в лазер на углекислом газе добавляется газообразный азот. [c.65]

Для детектирования излучения с длиной волны более 1 мкм требуются узкозонные полупроводники. Из перечисленных в таб-т. 7.2 двухкомпонентных сложных полупроводников П1 — V групп InSb имеет наименьшую ширину запрещенной зоны и может быть использован в качестве ( одетектора вплоть до 6 мкм. Для детектирования излучения лазера на Oj (10.6 мкм) необходимы другие материалы. Раньше на этих длинах волн использовались примесные полупроводники, такие как германий с примесью меди или ртути, действующие как примесное фотосопротивление. Возьмем в качестве примера соединение Ge — Hg. Ртуть вводит полосу акцепторных уровней с энергией на 0,09 эВ выше верхнего уровня валентной зоны. Конечно, при достаточно умеренных температурах они заполнены термически возбужденными электронами из валентной зоны. Но при достаточно низких температурах, менее 30 К, они оказываются в основно.м пустыми, и тогда электроны могут быть возбуждены оптически. Образованные таким образом дополнительные дырки увеличивают электрическую проводимость материала прямо пропорционально поглощенному световому потоку. Совсем недавно появились плоскостные фотодиоды с р-п-пере-ходом, сделанные на основе трехкомпонентного полупроводника из элементов И—VI групп — теллурнда кадмия с ртутью d x.Hg, .v Те. Уменьшение содержания кадмия позволяет сузить ширину запрещенной зоны этого материала при комнатной температуре от 1,8 эВ до 0. Если X = 0,2, ширина запрещенной зоны eg ж 0,1 эВ при 77 К и могут быть получены диоды с квантовой эффективностью, превышающей 0,25 на длине волны 10,6 мкм. Для избежания избыточного темпового тока, вызываемого тепловым возбуждением, необходимо охладить фотодиод до 120 К или ниже. В наземных системах связи для охлаждения фотодиода может быть использован жидкий азот (77 К), а в космических для достижения этих температур потребуются пассивные охладители. Использование обратного смещения 0,2... 0,5 В минимизирует емкость н улучшает временные характеристики диода, не вызывая дополнительного темпового тока в результате туннелирования. В этом случае могут быть получены полосы пропускания свыше 100 МГц. [c.417]

Существует ограниченное число данных о выходной мощности симметричных ДГС-РО-лазеров в непрерывном или импульсном режиме. На рис. 7.5.4 приведены данные по выходной мощности с одного зеркала и полной дифференциальной квантовой эффективности симметричного ДГС-РО-лазера. Для этого прибора = 0,1 мкм, хи —, 56 мкм, сечение 508X 143 мкм /пор = 1,3 кА/см [55]. Длительность импульса была 0,2 мкс и частота повторения 100 Гц. Разрушение зеркал не наблюдалось вплоть до мощности 3,6 Вт с одного зеркала, и мощность излучения была ограничена не катастрофическим разрушением зеркал, а максимальным током генератора импульсов. [c.234]

Для исследования степени однородности активной области полосковых ДГС-лазеров Делош и др. [16] использовали приборы, у которых, как показано на рис. 8.3.1, в контакте к -области было сделано окно, располагающееся прямо над полоской. Таким образом, при работе лазера в непрерывном режиме можно было через подложку наблюдать и фотографировать спонтанное излучение активной области. За промежуток времени от нескольких минут до часов преобладающим образом развивается характерная структура в виде узких темных линий, которые берут начало с края или изнутри полоски и, постепенно утолщаясь, пересекают ее в направлении <100>. На рис. 8,3.2 показано, как эти темные области развиваются за время работы лазера. По мере образования и уширения темных линий /пор растет, а внешняя дифференциальная квантовая эффективность падает. В соответствии с этими наблюдениями, такой дефект стал обычно называться дефектом темных линий (ДТЛ). [c.328]

Вынужденное излучение представляет собой одно из наиболее интересных явлений, которые могут возникать при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это явление заключается в том, что фотон взаимодействует с электроном и, прежде чем поглотиться, индуцирует излучение идентичного фотона. Лазерный эффект получается при обеспечении обратной связи, т. е. возвращения части этого излучения в лазер. Теория лазера любого типа может быть развита из соотношений Эйнштейна [1] для скоростей переходов при поглощении и при вынужденном и спонтанном излучении. Однако характер вынужденного излучения в полупроводниках отличается от характера вынужденного излучения в газовых лазйрах или в других твердотельных лазерах, что приводит к некоторому отличию в терминологии. В полупроводниках оптические переходы происходят между распределенными совокупностями энергетических уровней в зонах, в то время как в других лазерах переходы происходят обычно между дискретными энергетическими уровнями. Кроме того, в инжекционном лазере электроны тока накачки преобразуются с высокой квантовой эффективностью непосредственно в фотоны В этой главе выводятся выражения, необходимые для вычисления коэффициента усиления в полупроводнике, а затем находятся и обсуждаются соотношения между коэффициентом усиления, потерями и плотностью порогового тока. [c.132]

На рис. 3.8.5 кружками показаны экспериментально полученные Шнкасом и др. (92] значения коэффициента усиления для GaAs ДГС-лазера с ро = 1.3-10 см- . Этн значения определены по формуле (3.8.13) при а,-=12 см- и = 0,30 для лазеров различной длины. Используемый для определения а метод обсуждается в настоящем парагрг1фе в разделе, посвященном рассмотрению дифференциальной квантовой эффективности. Толщины активных слоев в ДГС были достаточно велики, чтобы с уверенностью считать Г 1,0. [c.200]

Рис. 3.8,11. Зависимость интенсивности излучения от тока накачки GaAs — AUGaj , As ДГС-лазера при комнатной температуре. Связь дифференциальной квантовой эффективности г]й с величиной а/ь/AIl описана в тексте.

Измерения плотности порогового тока и дифферендиальной квантовой эффективности, определяемой выражением (3.8.27), являются двумя наиболее часто встречающимися измерениями при исследовании полупроводниковых лазеров. Полная внешняя квантовая эффективность равна отношению /о//1 (рис. 3.8.11). Дифференциальная квантовая эффективность определяется производной интеисивиости излучения. З внешн по току накачки [c.210]

Возможно, что предел точности измерений концентрации хлорофилла а с помощью флюорометра с борта летательных аппаратов будет определяться зависимостью квантовой эффективности флюоресценции фитопланктона от уровня фоновой освещенности (явление фотоингибирования). Это означало бы, что точные измерения можно будет выполнять только ночью и с помощью лазеров с очень короткими импульсами. [c.512]

Когда квантовая эффективность мала по сравнению с единицей, случайные флуктуации в результате излучения окружающего фона незначительны по сравнению с флуктуациями фотоэлектрического процесса эмиссии. Из табл. 10.1, в которой приведены характеристики типовых фотоприборов при их работе на частоте излучения лазеров, видно, что квантовая эффективность приборов удовлетворяет этому условию [39]. [c.202]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...