|
| |
|
Слаботочка Книги пока положительных результатов в части получения необходимого комплекса свойств сверхминиатюрных твердотельных лазеров; в то же время на основе последнего из перечисленных материалов созданы образцы с выходной мощностью в сотни ватт. Полупроводниковые лазеры с электронным возбуждением. В этих приборах инверсия «аселенностей в полупроводнике создается при воздействии на него потока электронов высокой энергии (20 ... 200 кэВ). Такие электроны проникают в глубь полупроводника на десятки микрометров, ионизируя на своем пути атомы кристаллической решетки. Образующиеся свободные электроны занимают высокие уровни в зоне проводимости, далекие от ее дна; энергия таких электронов обычно около 3£g. Эти электроны, «остывая», тратят излишнюю энергию в основном на разогрев кристалла, поэтому теоретический предельный КПД энергетического преобразования «электронный луч - излучение» не может превысить 30 ...40%. Конструктивно лазер выполняется в виде электронно-лучевой трубки с экраном-мишенью из выбранного полупроводника. По характеру взаимной ориентации электронного и светового лучей различают приборы с поперечной и продольной накачкой: в первых мишень представлиет собой монокристалл, боковые грани которого образуют резонатор; во вторых это тонкая полупроводниковая пленка, состыкованная с внешним полупрозрачным зеркалом. По сравнению с инжекционными лазеры с электронной накачкой обладают рядом важных преимуществ. Во-первых, это значительно более высокая выходная мощность (особенно в импульсном режиме), так как объем возбужденной активной области в 10... 10 раз больше, чем, например, у лазеров с ДГС. Во-вторых, это возможность лазерной генерации практически на любых прямозонных полупроводниках, в том числе и на таких, которые не удается получить в виде монокристаллов и в которых не удается изготовить р-п-переход. Так, необходимая для телевидения совокупность цветов R~G-B получена на основе пленок CdSxSei-x (Х„зл«=620 и 535 им) и CdZni-xS (Хизл«470 нм). В-третьих, это использование таких важнейших достоинств электронного луча, как простота двухкоординатього высокоскоростного скенпрования н высокочастотная модулиция. По сравнению с обычными электронно-лучевыми трубками лазеры с электронным возбуждением благодаря большему КПД и меньшей угловой расходимости генерируемых лучей имеют значительно большую яркость, достигающ>ю 10" кд/м. Эти приборы, обычно называемые квантоскопами, применяются в проекционных дисплеях и перспективны дли использования в системах телевидения высокой четкости на большом экране. Лазерное сопутствующее оборудование. Для того чтобы луч лазера «загрузить» информацией и сделать полезным для целей оптоэлектроники, необходимо иметь возможность модулировать его по заданной программе. В то же время механизм возбуждения и кинетика генерации газовых и твердотельных лазеров таковы, что не позволяют осуществить модуляцию выходного излучения через систему накачки. Необходим внешний модулятор - прибор, изменяющий интенсивность проходящего через него непрерывного излучения по заданному временному закону. Модуляция именно интенсивности, а не других параметров в0л1ны, таких как, например, фаза, поляризация, используется потому, что имеются лишь амплитудные фотоприемники, реагирующие на изменение интенсивности излучения. Поэтому независимо от используемого для модуляции физического эффекта в конечном счете все сводится к модуляции интенсивности. Модуляторы могут быть предназначены для работы с дискретной информацией (оптический ключ или переключатель) или с аналоговой (собственно мо-" дулятор). Основными параметрами приборов первого типа являются потери пропускания и остаточный лоток в режимах «включено - выключено» (выражаются в процентах от интенсивности падающего потока /о или в децибелах) и временные параметры (время включения, выключения и др.), определяющие быстродействие. Приборы аналогового типа имеют линейную модуляционную характеристику (отнощение коэффициента пропускания к интенсивности управляющего воздействия) и граничную рабочую частоту. Для приборов обоих типов важны параметры управляющего воздействия, рабочий спектральный диапазон, апертура, эксплуатациоиные характеристики (рабочая температура, долговечность, механическая прочность и др.). В типичном электрооптическом модуляторе (рис. 5.9) в активных кристаллах, ориентированных оптическими осями взаимно ортогонально (два кристалла используются для компенсации помех, вызываемых температурными колебаниями), вследствие эффекта Поккельса (ом. гл. 3) осуществляется поворот плоскости поляризации, который благодаря анализатору приводит к модуляционной характеристике вида /=/о sin[(n/2) (LVnp/f/ )]. (5.29) Здесь - полуволновое напряжение, вызывающее сдвиг фаз обыкновенной волны на %12 (или я); такое напряжение обеспечивает минимальное светопро-пускание. Для объемных модуляторов (например, на основе KDP) типичное значение U составляет сотни вольт и единицы киловольт, пропускание достигает 90%, остаточный .поток может быть менее 5%, а рабочая частота - до 1 ГГц. Магнитооптические модулиторы (на основе эффекта Фарадея, см. гл. 3) имеют значительно более низкие управляющие напряжения, однако быстродействие их невелико (из-за индуктивности катущек намагничивания), поэтому заметного распространения они не получили. В ряде случаев (например, в голографичееких ЗУ, см. гл. 10) необходимо управлять направлением раопространения светового луча. Этой цели служат дефлекторы, подразделяющиеся на непрерывные (с произвольным положением отклоняемого луча в пространстве) и дискретные, осуществляющие перевод луча в одно из N возможных положений. Типичный электрооптический дефлектор (рис. 5.10) содержит чередующиеся пластины двух типов: в одних благодаря эффекту Поккельса падающий луч разделяется на обыкновенный и необыкновенный, а в других (двулучепрелом- Рис. 5.9. Электрооптический модулятор: 1,4 - поляризатор и анализатор; 2,3 - активные кристаллы с эффектом Поккельса i-й наснад \ /Л  3-й наашд 21  Рис. 5-10. Электрооптический дефлектор: I - кристаллы с эффектом Поккельса; 2 - двулучепре-ломляющне кристаллы; 3 - возможные положения выходного луча ляющих) эти лучи разводят:;я простраиственно. Разнообразным сочетаниям управляющих напряжений (С/упр может принимать значения лог. 1 и лог. О, общее число комбинаций 2*) соответствует N=8 возможных положений луча на выходе. Такой дефлектор имеет высокое быстродействие, но при большом Л очень громоздок и сложен. Все более широкое распространение приобретают акустооптические дефлекторы (об акустооптическом эффекте см. гл. 3). В таком дефлекторе (рис. 5.11), использующем две взаимно ортогональные акустооптические ячейки, обеспечивается отклонение светового луча по двум координатам. Число возможных дискретных положений может достигать 10... 10 рабочая частота - 10... 10 Гц; малое быстродействие обусловлено инерционностью перестройки акустооп-тической дифракцисяной решетки лри изменении частоты возбуждения. Характеристики модуляторов и дефлекторов могут быть существенно улучшены (уменьшены напряжения и мощности управляющих воздействий, повышено быстродействие) при переходе к тонкопленочным интегрально-оптическим конструкциям (см. гл. 7), однако апертуры приборов при этом становятся очень малыми, что не всегда приемлемо. В заключение укажем, что устройствами управления световым лучом сопутствующее лазерное оборудование не исчерпывается. Специализированные высоковольтные источники возбуждения газоразрядных лазеров, криптоновые лампы-вспышки для накачки твердотельных лазеров, внешние оптические резонаторы, улучшающие избирательность мод, нелинейно-оптические преобразователи частоты, помогающие продвинуться в коротковолновую область, - вот далеко не полный перечень того, что в значительной степени определяет не только технические характеристики, но и габаритные размеры, надежность, стоимость лазерных устройств. Сравнение неинжекционных лазеров с инжекционными показывает, что они более громоздки, принципиально гибридны, в них используются вакуумируемые объемы, требуется применение сложного и дорогостоящего сопутствующего оборудования. Эксплуатационные характеристики неинжекционных лазеров также не всегда удовлетворительны. Так, долговечность большинства из них не превышает (0,5 ... 5) • ч, рабочая  Рис. 5.11. Двухкоординатный акусто- оптический дефлектор: / - фотоупругая среда; 2 - пьезоэлектрические преобразователи - возбудите-ли акустических волн; 3 - акустические поглотители; 4 - возбужденные дифракционные решетки 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [50] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |
||||||||||||