Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
Вследствие большого значения показателя преломления полупроводниковых материалов коэффициент отражения границы раздела воздух—-кристалл достигает значения 0,35 и более. Поэтому естественные параллельные грани кристалла образуют достаточно хороший резонатор для лазера и отражающие покрытия применяются редко.
В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму (рис. 95, б). Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате двукратного полного внутреннего отражения
304
f А-о
/Л ~
'
ч kJ
;|lv
Рис. 95. Типы оптических резонаторов для лазеров: а — интерферометр Фабри—Перо; б — призменный резонатор; в — конфокальный; г — полу-концентрический; д — составной; е — кольцевой. Заштрихованные прямоугольники — стержни активной среды
выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора. Если призму вращать вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, то получится резонатор с модулированной добротностью. Другой способ модуляции добротности связан с введением в резонатор просветляющихся фильтров (§ 17).
Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут : использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зерка-
ла с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф .(рис. 95, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами по оси резонатора равно радиусу кривизны зеркал l=R. Если это расстояние уменьшить в два раза, так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софокусный резонатор. Резонатор, образованный плоским
! и сферическим зеркалами с /=/? (рис. 95, г) называется по-
je. луконцентрическим [571].
1 Для научных исследований и различных практических
|й целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не
20. Зак. 312
305
только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. На рис. 95, <3 в качестве примера показан составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 95, е).
Для характеристики качества резонатора в радиотехнике обычно вводится величина, называемая добротностью. Численно добротность Q равна умноженному на 2я отношению полного запаса энергии в резонаторе Е к потерям энергии за один период АЕ:
Q = 2я (19.6>
АЕ
Если при отсутствии вынуждающей силы энергия в резонаторе убывает по экспоненциальному закону
Е -= Ejr**, (19.7>
то
2зт
\АЕ\ = 2уЕТ = 2уЕ (19.8>
и, следовательно,
0 = -
2у Асо
Q = = —^2—. (19.9>
Здесь Т и ио — период и круговая частота собственных колебаний резонатора; Дев = 2у — ширина полосы пропускания. В случае гармонического осциллятора 2у равно ширине спектральной линии излучения (§ 13) [87]. Поэтому добротность можно определить еще как отношение собственной частоты колебаний системы к ширине испускаемой спектральной линии.
В квантовой электронике оптические резонаторы более удобно характеризовать коэффициентом потерь, который вводится при рассмотрении энергетического условия генерации.
Энергетическое и интерференционное условия получения генерации. Получение генерации излучения упрощенно можно-представить так. Рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения еще до создания инверсной заселенности рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное
306
излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз, или, что то же самое, проходят сколь угодно длинный путь в активной среде. Именно в этих направлениях возникает генерируемое излучение.
Плотность энергии генерируемого излучения в резонаторе становится столь большой, что она во много раз превосходит фон спонтанного испускания на генерируемых частотах. Поэтому связь характеристик генерируемого излучения с породившим его люминесцентным фоном практически исчезает. Мощность генерации, угол расходимости и спектральный состав лазерного луча определяются главным образом параметрами резонатора, коэффициентами усиления кус и внутренних оптических потерь р активной среды.
В интерферометре Фабри — Перо бесконечное число раз активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на пластинки под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него. Это обеспечивает узкую направленность генерируемого луча (§ 21).
