Презентация к разработке "Проводниковые лазеры"

Разработка методики проведения

учебного занятия по теме:

«Полупроводниковые лазеры»

Выполнила учитель физики МБОУ «Лудорвайская СОШ им. Героя Советского Союза А.М. Лушникова» Зорина Екатерина Сергеевна

Что такое лазер?

Лазер – источник рассеиваемого поляризованного узконаправленного потока излучения с единой длиной волн, получающий энергию от заряженного кристалла.

Структура лазера

Виды лазеров

Твердотельные (на кристаллах и стеклах)

Лазеры на красителях

Газовые

Химические

Лазеры на свободных электронах

Полупроводниковые

Рентгеновские

Полупроводниковый лазер

Устройство, на основе кристаллического полупроводникового материала, генерирующее интенсивный когерентный световой поток в узком диапазоне частот или длин световых волн в определенном направлении при приложении электрического напряжения смещения к его внешним электродам.

* Когерентные волны – волны, обладающие одним периодом и неизменной разностью фаз на протяжении времени, достаточного для наблюдения .

* Полупроводники — это вещества, в которых электрический ток образуется движением электронов, а величина удельного сопротивления находится в пределах между проводниками и диэлектриками. 

Особенности полупроводниковых лазеров

1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала .

        2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше , чем у обычного лазера.

  3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависит от свойств материала , из которого сделан переход.

  4. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод .

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Уже в 1958 году советским физиком Н. Г. Басовым и его сотрудниками было указано на возможность использования полупроводниковых материалов в качестве активных сред.

Впоследствии Н. Г. Басову, Ю. М. Попову, О. Н. Крохину, А. Е. Шотову была присуждена Ленинская премия за создание полупроводникового лазера .

Схема устройства полупроводникового лазера

Полупроводниковый диод

Активное вещество арсенид галлия , содержащий примеси n-типа. концентрация

I

Спектральная характеристика

• Когда сила тока мала, ширина спектральной полосы излучения большая
• Когда сила тока превышает пороговое значение полоса излучения сужается.

Принцип работы полупроводникового лазера

Принцип работы полупроводникового лазера

Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы :

1. Нижняя представляет собой валентную зону.

2. Верхняя — зону проводимости.

*Рекомбинация  — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии. 

• В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны занимают валентную зону .
• Если на полупроводник подействовать  электрическим током или световыми импульсами , то часть электронов перейдет в зону проводимости . В результате перехода в валентной зоне окажутся свободные места - «дырками». Эти дырки играют роль положительного заряда.
• Произойдет перераспределение электронов между уровнями валентной зоны и зоны проводимости, и можно говорить о перенаселенности верхней энергетической зоны .
• В результате обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону и их соединения с дырками, т. е. при рекомбинации разноименных носителей заряда, происходит излучение фотонов .

Материалы полупроводниковых лазеров

«Луч-3»

Первый образец полупроводникового лазера был представлен на Лейпцигской ярмарке в 1965 году.

Размер кристалла из арсенида галлия – 0,03 мм³

Кристалл находился в термостате с жидким азотом при температуре -196ºC.

Работал в импульсном режиме на волне 0,844мкм, длительность 2 мкс.

Мощность излучения в импульсе 10Вт.

Достоинства полупроводникового лазера

• Компактность. Полупроводниковые лазеры изготавливаются на одном чипе. Это позволяет легко встраивать их в различные более сложные конструкции.
• Высокая эффективность (КПД), достигающая 50 %. Это позволяет изготавливать лазеры с низким потреблением электрической энергии по сравнению с другими типами лазеров.
• Непосредственное преобразование электрической мощности в световой поток . Возможность встраивания лазерных конструкций в современные интегральные схемы.
• Малые световые потери в активной области . Возможность функционирования при комнатных и более высоких температурах.

К недостаткам следует отнести крайнюю чувствительность к изменениям температуры , что нежелательно во многих приложениях. Другим недостатком является сильная расходимость светового пучка лазерного диода даже на небольших расстояниях от излучающей свет грани лазерного диода.

Применение полупроводниковых лазеров

• В датчиках телеметрии, пирометрах, оптических высотомерах, дальномерах, прицелах, голографии;

• В оптоволоконных системах оптической передачи и хранения данных, системах когерентной связи;

• В лазерных принтерах, видеопроекторах, указателях, сканерах штрих-кода, сканерах изображений, проигрывателях компакт-дисков (DVD, CD, Blu-Ray);

• В оптической метрологии и спектроскопии;

(позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном).

• В хирургии, стоматологии, косметологии, терапии;

• Для очистки воды, обработки материалов, накачки твердотельных лазеров, контроля химических реакций, в промышленной сортировке, промышленном машиностроении, системах зажигания, системах противовоздушной обороны .

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!