Квантовая и оптическая электроника

Для возбуждения атомов активного вещества используются различные генераторы накачки. Метод возбуждения лазера имеет большое значение. Системы возбуждения должны обеспечивать эффективное преобразование электрической энергии в излучение заданной частоты. Излучение генераторов накачки должно быть сфокусировано с минимальными потерями оптической системой на активном стержне, а в активном стержне должно быть обеспечено максимальное поглощение излучения накачки.

В качестве генераторов накачки широко применяются системы возбуждения с помощью светового поля. Генератором накачки может служить, например, газоразрядная лампа, которая спиралью обвивает стержень активного вещества. Такие генераторы накачки имеют относительно низкую эффективность, так как большая часть излучаемой энергии рассеивается газоразрядной лампой вне активного вещества.

Значительно большей эффективностью обладают системы, использующие эллиптический рефлектор, представляющий собой цилиндр эллиптического сечения, вдоль фокусных линий которого размещены активное вещество и газоразрядная лампа. Устройство с эллиптическим рефлектором потребляет энергии примерно в 10 раз меньше, чем генератор накачки, использующий газоразрядную лампу спиральной формы, так как излучаемая световая энергия концентрируется в основном эллиптическим отражателем в месте расположения активного вещества.

Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно эта особенность привела к созданию p-n-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использование рассмотренных процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, позволило создать новые классы приборов — светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти приборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьма широки — от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью, — светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры — в когерентное излучение оптического диапазона.

По определению С. И. Вавилова, люминесценция есть излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для наблюдения люминесценции вещество принципиально необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, т. е. возбудить. Люминесценция возникает вследствие квантовых переходов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения, т. е. определяется процессами, обратными поглощению света. В это же время понятие люминесценции относится не к отдельным атомам или молекулам, а к веществу в целом.

Активным веществом твердотельных и жидкостных лазеров является диэлектрик, находящийся в конденсированной фазе. По сравнению с газами в конденсированных средах можно создать большие плотности (концентрации) активных частиц в единице объема и тем самым достичь большей плотности инверсии и большего удельного энергосъема. В то же время разнообразие процессов, с помощью которых можно изменить энергетическое состояние атомов в таких системах без их разрушения, весьма ограничено. Практически единственным способом активного воздействия остается облучение светом. Поэтому в твердотельных и жидкостных лазерах на диэлектриках применяется только оптическая накачка. В полупроводниках возможно дополнительное воздействие путем пропускания через них электрического тока.