Невиданные источники. Создание лазеров
В 1917 г. Эйнштейн показал, что возбужденные атомы или молекулы могут
излучать элементарные порции электромагнитной энергии —
кванты света (фотоны) — двумя способами. Во-первых, процесс
излучения может происходить без внешнего возмущения, т. е.
самопроизвольно.
Во-вторых, фотон может излучаться при воздействии на возбужденную
систему точно таких же фотонов. Отсюда следует, что частицу с верхнего
энергетического уровня можно столкнуть на нижний, при этом частица
испускает квант света, тождественный падающему. Процесс вынужденного
испускания прямо противоположен хорошо известному процессу поглощения
света в веществе. При поглощении квант света исчезает, при вынужденном
испускании, наоборот, появляется еще один квант.
Явление вынужденного испускания лежит в основе работы оптических квантовых генераторов света — лазеров. В 1954 г. советским физикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и одновременно американскому ученому Ч. Таунсу удалось впервые наблюдать и использовать вынужденное излучение.
Первые модели источников света работали на рубине. В последующие годы внимание ученых и инженеров привлекли полупроводниковые материалы. Создание на их основе лазеров положило начало новому направлению в полупроводниковой электронике.
Остановимся более подробно на принципе действия полупроводникового лазера. Для перехода электрона в зону проводимости ему необходимо сообщить определенную энергию. Каким же образом энергии пучка электронов превращается в лазерное излучение?
В полупроводниковом лазере используется обычный полупроводниковый диод, обладающий электронной и дырочной проводимостью. На противоположные концы полупроводника наносят отражающие покрытия — зеркала. Они и образуют «колебательный контур» — оптический резонатор полупроводникового лазера. Усиление световой энергии происходит при условии, когда большинство уровней энергии в зоне проводимости занято электронами, а в дырочной области — дырками. Достаточно подать постоянное напряжение на диод, как дырки и электроны устремятся друг к другу. В процессе рекомбинации электроны переходят границу электронно-дырочного перехода, испуская при этом квант энергии. Благодаря оптическому резонатору создаются условия для многократного прохождения светом пути от одного зеркала к другому. Этот процесс сопровождается испусканием индуцированного света — он вырывается наружу через одно из зеркал резонатора (последнее выполняется полупрозрачным).
Первые диоды из арсенида галлия генерировали в невидимой ближней инфракрасной области спектра. Изменяя процентное содержание различных компонентов кристалла, можно варьировать частоты генерируемого излучения в широких пределах. Например, электронно-дырочные переходы на карбиде кремния и фосфиде галлия в силу большей ширины зоны излучают видимый свет — синий и красный соответственно. Таким образом, электронно-дырочный переход можно заставить работать в качестве излучателя света, видимого и невидимого.
Что же новое принесли в технику полупроводниковые лазеры? Наряду с отмеченными особенностями можно привести другое достоинство: миниатюрность. Доли миллиметра — таковы размеры полупроводниковых лазеров. Наконец, такую высокую направленность излучения, как у лазеров, в сочетании с большой мощностью нельзя получить от обычных источников никакими, даже самыми совершенными зеркалами или другими оптическими системами.
Создание лазеров позволяет пересмотреть наши взгляды на многие установившиеся процессы. Нужно ли для транспортировки энергии по-прежнему использовать электрический ток? Не проще ли передавать ее в виде света? Необходимо ли сохранять металлическую обработку материалов? Ведь при обработке лучом лазера затраты энергии могут быть намного меньше, точность выше, а детали прочнее.
Изучением принципов работы лазеров, созданием и практическим применением их занимается квантовая электроники. Она возникла на стыке трех паук: оптики, радиоэлектроники и квантовой механики. Несмотря на молодость, квантовая электроника заняла почетное место среди других паук и оказывает все возрастающее влияние на развитие многих областей знания.
Явление вынужденного испускания лежит в основе работы оптических квантовых генераторов света — лазеров. В 1954 г. советским физикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и одновременно американскому ученому Ч. Таунсу удалось впервые наблюдать и использовать вынужденное излучение.
Первые модели источников света работали на рубине. В последующие годы внимание ученых и инженеров привлекли полупроводниковые материалы. Создание на их основе лазеров положило начало новому направлению в полупроводниковой электронике.
Остановимся более подробно на принципе действия полупроводникового лазера. Для перехода электрона в зону проводимости ему необходимо сообщить определенную энергию. Каким же образом энергии пучка электронов превращается в лазерное излучение?
В полупроводниковом лазере используется обычный полупроводниковый диод, обладающий электронной и дырочной проводимостью. На противоположные концы полупроводника наносят отражающие покрытия — зеркала. Они и образуют «колебательный контур» — оптический резонатор полупроводникового лазера. Усиление световой энергии происходит при условии, когда большинство уровней энергии в зоне проводимости занято электронами, а в дырочной области — дырками. Достаточно подать постоянное напряжение на диод, как дырки и электроны устремятся друг к другу. В процессе рекомбинации электроны переходят границу электронно-дырочного перехода, испуская при этом квант энергии. Благодаря оптическому резонатору создаются условия для многократного прохождения светом пути от одного зеркала к другому. Этот процесс сопровождается испусканием индуцированного света — он вырывается наружу через одно из зеркал резонатора (последнее выполняется полупрозрачным).
Первые диоды из арсенида галлия генерировали в невидимой ближней инфракрасной области спектра. Изменяя процентное содержание различных компонентов кристалла, можно варьировать частоты генерируемого излучения в широких пределах. Например, электронно-дырочные переходы на карбиде кремния и фосфиде галлия в силу большей ширины зоны излучают видимый свет — синий и красный соответственно. Таким образом, электронно-дырочный переход можно заставить работать в качестве излучателя света, видимого и невидимого.
Что же новое принесли в технику полупроводниковые лазеры? Наряду с отмеченными особенностями можно привести другое достоинство: миниатюрность. Доли миллиметра — таковы размеры полупроводниковых лазеров. Наконец, такую высокую направленность излучения, как у лазеров, в сочетании с большой мощностью нельзя получить от обычных источников никакими, даже самыми совершенными зеркалами или другими оптическими системами.
Создание лазеров позволяет пересмотреть наши взгляды на многие установившиеся процессы. Нужно ли для транспортировки энергии по-прежнему использовать электрический ток? Не проще ли передавать ее в виде света? Необходимо ли сохранять металлическую обработку материалов? Ведь при обработке лучом лазера затраты энергии могут быть намного меньше, точность выше, а детали прочнее.
Изучением принципов работы лазеров, созданием и практическим применением их занимается квантовая электроники. Она возникла на стыке трех паук: оптики, радиоэлектроники и квантовой механики. Несмотря на молодость, квантовая электроника заняла почетное место среди других паук и оказывает все возрастающее влияние на развитие многих областей знания.
