🗊Презентация Лазерные и телевизионные системы траекторных измерений. Лазерные передатчики

Лазерные и телевизионные системы траекторных измерений Лекция 7 Лазерные передатчики 2016 г. 9 семестр, кафедра РТПи АС, Лектор: доцент, к.т.н. Бугаев Юрий Николаевич

История создания лазера В 1939-м сотрудник Московского энергетического института (МЭИ) Валентин Фабрикант сформулировал принцип усиления электромагнитного излучения для среды, в которой можно создать инверсную, то есть возрастающую с увеличением энергетического уровня населенность электронами их атомных орбит. Несмотря на важность сделанных в этих работах выводов, они, к сожалению, остались практически не замеченными и не оказали существенного влияния на создание лазеров, как и поданная В.А. Фабрикантом с сотрудниками в 1951 году заявка на изобретение "нового способа усиления электромагнитного излучения УФ, видимого, ИК и радиодиапазонов", которая была опубликована только в 1959 году, уже после создания мазеров и публикаций другими учеными предложений о создании лазеров.

История создания лазера В 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разрабатали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак. Такое устройство называется мазер (от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission). Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft). Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости путём «накачки» рабочего тела энергией, подводящейся к нему, например, в виде световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.

Лазерные передатчики для ЛТЛС ближнего действия (до 15 км)   К лазерным передатчикам ЛТЛС ближнего действия предъявляются следующие требования: Высокая частота повторения импульсов 50-200 Гц; Отсутствие системы водяного охлаждения, высокий к.п.д.; Малые вес и габариты; Простота обслуживания т.к. ограничено число операторов и они не специализированны, а универсальны. В полной мере этим требованиям удовлетворяют полупроводниковые лазеры или твердотельные лазеры с накачкой полупроводниковыми диодами.

Полупроводниковые лазеры. Среди лазеров видимого и инфракрасного диапазонов полупроводниковые лазеры занимают особое положение по ряду своих характеристик. В полупроводниках удаётся получить очень большие коэффициенты усиления ~ 102 - 103 см-1, поэтому размеры полупроводникового лазера могут быть сделаны очень малыми - порядка долей мм. Лазер на полупроводниках GaAs, CdS, InAs, InSb, ZnS и др. позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфракрасный диапазоны. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким кпд преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%)

Полупроводниковый лазер на кристалле GaAs Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р—n -переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. Полупроводниковый лазер на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводникового лазера, были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков).

Полупроводниковый лазер с электронным возбуждением Полупроводниковый лазер с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании полупроводникового лазера с оптической накачкой.

Лазеры на гетероструктурах В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для полупроводникового лазера. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

Лазерах с возбуждением электронным пучком В полупроводниковых лазерах с возбуждением электронным пучком можно возбуждать большие объёмы полупроводников, чем в случае инжекции через р - n-переходы. Пиковая мощность при этом доходит до 1 Мвт при средней мощности ~ 1 вт. Кпд при электронном возбуждении не может превышать 30%. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

  Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника. При этом длина волны   λ » hc/DE,   где h — Планка постоянная, с — скорость света.  

2

Методы накачки:   В полупроводниковых лазерах применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р—n-переход (см. Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили полупроводниковые лазеры первых двух типов.

Инжекционные лазеры. Инжекционные лазеры. Лазер на р—n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—n-переходу (рис. 6.2), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%).

Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2, рис.6. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Рис. 6.5. Образцы инжекционных лазеров.

Твердотельные лазеры

Конструктивные элементы лазеров

Преимущества твердотельных лазеров:

Вынужденное излучение

Среда с инверсной населенностью

Твердотельные лазеры с накачкой от полупроводниковых лазерных диодов

Схема твердотельного лазера с продольной п/пров. накачкой

Импульсный твердотельный лазер с диодной накачкой производства НПО «Полюс».

Лазерные передатчики для ЛТЛС среднего действия

Типовая схема лазерного передатчика

Режиим модулированной добротности

Твердотельные лазеры производства НПО «Полюс»

Лазерные передатчики для ЛТЛС дальнего действия