Yorug'lik manbalari elektr signallarini elektr signallariga aylantirish imkonini beradioptik signallarva optik uzatgichlar va optik tolali aloqa tizimlarining asosiy komponentlari hisoblanadi. Ularning ishlashi optik tolali aloqa tizimining ishlashi va sifat ko'rsatkichlariga bevosita ta'sir qiladi. Ushbu bo'lim asosan ikki turdagi yorug'lik manbalarining tuzilishi, ishlash printsipi va tegishli xarakteristikalari bilan tanishtiriladi: lazer diodlari (LDs, shuningdek, lazer deb ham ataladi) va yorug'lik chiqaradigan diodlar (LED) va ularning texnik tavsiflari.
Lazerlar bilan bog'liq bir qancha jismoniy tushunchalar
Fotonlar haqida tushuncha
Eynshteynning yorug'likning kvant nazariyasi yorug'lik energiyaga ega bo'lgan fotonlardan iborat ekanligini ta'kidlaydihf, bu erda h=6.628 × 10⁻13J·s, Plank doimiysi sifatida tanilgan va f - yorug'lik to'lqinining chastotasi. Bu fotonlarga fotonlar deyiladi.
Yorug'lik materiya bilan o'zaro ta'sir qilganda, foton energiyasi butunlay so'riladi yoki chiqariladi, bu yorug'likning to'lqin-zarracha ikkilik nazariyasini o'rnatadi.
Atom energiyasi darajasi
Yarimo'tkazgichli kristallarda elektronlarning atom yadrolaridan tashqaridagi orbitalari qo'shni atomlarning umumiy harakati tufayli turli darajada bir-biriga yopishadi. 3-1-rasmda ko'rsatilganidek, kristalldagi energiya darajalari endi bitta atomga tegishli emas; ular butun kristall bo'ylab ham kengroq maydon bo'ylab harakatlana oladilar. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, dastlabki energiya darajalari energiya bandlariga aylantirildi. Eng tashqi energiya sathidan hosil bo'lgan energiya zonasi o'tkazuvchanlik zonasi, ichki energiya zonalari esa valentlik zonasi deb ataladi. Ularning orasidagi intervallarda elektronlar mavjud emas; bu interval band bo'shlig'i deb ataladi.
Shakl 3-1 Kristaldagi energiya darajalari
Yorug'lik va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sirning uchta usuli
Yorug'lik va moddaning o'zaro ta'siri yorug'lik va atomlar o'rtasidagi o'zaro ta'sirga, shu jumladan uchta jismoniy jarayonga qisqartirilishi mumkin: stimulyatsiyalangan yutilish, o'z-o'zidan emissiya va stimulyatsiya qilingan emissiya. Ushbu uchta o'zaro ta'sir rejimining energiya darajalari va elektron o'tishlari 3-2-rasmda ko'rsatilgan.
Shakl 3-2 Yorug'lik va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sirning uchta rejimida energiya darajalari va elektron o'tishlar.
1) Oddiy sharoitlarda elektronlar odatda past energiya darajasida bo'ladi Ea. Tushgan yorug'lik ta'sirida elektronlar foton energiyasini o'zlashtiradi va yuqori energiya darajasi E ga o'tadi2, fototokni hosil qilish. Ushbu o'tish stimulyatsiyalangan yutilish deb ataladi. Bu fotodetektorning ishlash printsipi.
2) Yuqori energiya darajasidagi elektronlar E2beqaror. Hatto tashqi kuchsiz ham ular o'z-o'zidan past energiya darajasi E ga o'tadia, teshiklar bilan qayta birlashing va tashqariga tarqaladigan fotonlarga aylantirilgan energiyani chiqaradi. Bu o'tish spontan emissiya deb ataladi. Bu yorug'lik chiqaradigan diodning (LED)-ish printsipi. O'z-o'zidan chiqadigan yorug'lik kogerent bo'lmagan yorug'likdir.
3) Elektron yuqori energiya darajasida Eaenergiya h bo'lgan tashqi foton tomonidan qo'zg'atiladif, u past energiya darajasi E ga o'tishga majbur bo'ladia, teshiklar bilan qayta birlashadi va bir vaqtning o'zida qo'zg'atuvchi nur bilan bir xil chastota, faza va yo'nalishga ega bo'lgan fotonni chiqaradi (bir xil foton deb ataladi).
Bu jarayon tashqi foton qo'zg'alishi ostida hosil bo'lganligi sababli, bu o'tish stimulyatsiya qilingan emissiya deb ataladi. Bu lazerning ishlash printsipi. Rag'batlantirilgan emissiya nuri kogerent yorug'likdir.
Populyatsiyaning inversiyasi va yorug'likning kuchayishi
Rag'batlangan emissiya lazer ishlab chiqarishning kalitidir. Quyi energiya darajasidagi zarracha zichligi N, yuqori energiya darajasidagi zarracha zichligi N² bo'lsin. Oddiy sharoitlarda N > N², ya'ni stimulyatsiya qilingan so'rilish har doim stimulyatsiya qilingan emissiyadan oshadi; ya'ni issiqlik muvozanatida materiya yorug'likni kuchaytira olmaydi.
Yorug'likni kuchaytirish uchun moddaning stimulyatsiya qilingan emissiyasi, hatto N² > N bo'lsa ham, stimulyatsiya qilingan yutilishdan oshib ketishi kerak (yuqori energiya darajasidagi elektronlar soni quyi energiya darajasidagi elektronlar sonidan kattaroqdir). Zarrachalar sonining bunday g'ayritabiiy taqsimlanishi populyatsiya inversiyasi deb ataladi.
Populyatsiya inversiyasi moddaning yorug'likni kuchaytirishi va yorug'lik chiqarishi uchun asosiy shartdir.
To'g'ridan-to'g'ri tarmoqli va bilvosita tarmoqli yarim o'tkazgichlar
Rag'batlantirilgan yorug'lik emissiyasida energiya va impuls saqlanishi kerak. Tarmoqli bo'shliq shakli impuls bilan bog'liq; 3-rasmda ko'rsatilganidek, yarimo'tkazgichlarni to'g'ridan-to'g'ri tarmoqli oralig'i va bilvosita tarmoqli oralig'i turlariga bo'lish mumkin. To'g'ridan-to'g'ri tarmoqli yarim o'tkazgichlarda o'tkazuvchanlik zonasining minimal energiya darajasi va valentlik zonasining maksimal energiya darajasi bir xil impulsga ega va elektronlar vertikal ravishda o'tadi, natijada 3-3a-rasmda ko'rsatilganidek, yorug'lik samaradorligi yuqori bo'ladi. Bilvosita tarmoqli bo'shliqli yarim o'tkazgichlarda, 3-3b-rasmda ko'rsatilganidek, elektron o'tishlari uchun impulsning saqlanishini saqlab qolish uchun boshqa zarralar ishtirok etishi kerak. Yorug'lik chiqaradigan qurilmalarni ishlab chiqarish uchun faqat to'g'ridan-to'g'ri tarmoqli yarimo'tkazgich materiallaridan foydalanish mumkin; bu materiallarga GaAs, AlGaAs, InP va InGaAsP kiradi.
Shakl 3-3 To'g'ridan-to'g'ri tarmoqli va bilvosita tarmoqli yarim o'tkazgichlar
Lazer printsipi
Yarimo'tkazgichli lazer - faol vosita sifatida yarim o'tkazgich materiallardan foydalanadigan lazer; uni yarimo'tkazgichli lazerli avtomatik osilator-deb ham atashadi.
Lazerning lazer nurini chiqarishi uchun quyidagi uchta shart bajarilishi kerak: lazer nurini hosil qila oladigan ishchi modda (faollashtiruvchi modda deb ham ataladi) bo'lishi kerak; ishchi moddani populyatsiya inversiyasi holatiga qo'yishga qodir qo'zg'alish manbai (nasos manbai deb ham ataladi) bo'lishi kerak; va chastota tanlash va qayta aloqani amalga oshirishga qodir optik rezonator bo'lishi kerak.
(1) Lazer nurini yaratishga qodir bo'lgan ishchi modda populyatsiyaning inversiya taqsimotiga erisha oladigan moddadir. Faollashtirilgandan so'ng, ishlaydigan modda faollashtiruvchi modda yoki qozon moddasi deb ataladi va u lazer hosil qilish uchun zaruriy shartdir.
(2) Nasos manbai tashqi qo'zg'alish manbai bo'lib, ishchi moddaning populyatsiya inversiyasi taqsimotiga erishishiga olib keladi. Nasos manbai ta'sirida Ni> Ni, natijada stimulyatsiya qilingan emissiya rag'batlantirilgan yutilishdan kattaroq bo'lib, yorug'likni kuchaytiradi.
(3) Optik rezonator: faollashtiruvchi modda faqat yorug'likni kuchaytirishi mumkin. Kerakli fikr-mulohazalarni ta'minlash va yorug'likning chastotasi va yo'nalishini tanlash uchun faqat faollashtiruvchi moddani optik rezonatorga joylashtirish orqali yorug'likning uzluksiz kuchayishi va lazer tebranish chiqishini olish mumkin. Faollashtiruvchi modda va optik rezonator lazer tebranishini yaratish uchun zarur shartdir.
1) Optik rezonansli bo'shliqning tuzilishi. Optik rezonansli bo'shliqning tuzilishi 3-4-rasmda ko'rsatilgan. Mos ravishda aks ettirish koeffitsientlari r1 va r2 bo'lgan ikkita parallel ko'zgu M1 va M2 ko'zgularni faollashtiruvchi materialning har ikki uchida tegishli pozitsiyalarga qo'yish orqali eng oddiy optik rezonans bo'shlig'i hosil bo'ladi, uni Fabry-Perot bo'shlig'i yoki FP bo'shlig'i deb ham ataladi.
Agar oynalar tekis oyna bo'lsa, u tekis bo'shliq deb ataladi; agar oynalar sharsimon oyna bo'lsa, u sferik bo'shliq deb ataladi. Ikki oynadan biri yorug'likni to'liq aks ettira olishi kerak, ikkinchisi esa qisman aks ettira olishi kerak.
3-4-rasm Optik rezonansli bo'shliqning tuzilishi
2) Rezonansli bo'shliqda lazer hosil qilishning tebranish jarayoni. Lazerning sxematik diagrammasi 3-5-rasmda ko'rsatilgan. Ishchi muhit nasos manbai ta'sirida populyatsiyaning inversiyasiga erishganda, o'z-o'zidan emissiya hosil bo'ladi. Agar spontan emissiya yo'nalishi optik rezonans bo'shlig'ining o'qiga parallel bo'lmasa, u rezonans bo'shlig'idan aks etadi. Rezonans bo'shlig'ining o'qiga parallel ravishda faqat spontan emissiya mavjud bo'lishi va oldinga davom etishi mumkin. Yuqori energiya darajasida zarrachaga duch kelganda, u yuqori energiya darajasidan pastki energiya darajasiga o'tishda bir xil fotonni chiqaradigan stimulyatsiyalangan o'tishni keltirib chiqaradi - bu stimulyatsiya qilingan emissiya. Rag'batlantirilgan emissiya nuri rezonans bo'shlig'ida bir marta oldinga va orqaga aks etganda va faza o'zgarishi 2p ga to'liq ko'paytirilsa, bir xil yo'nalishda tarqaladigan bir nechta stimulyatsiya qilingan nurlar bir-birini mustahkamlab, rezonans hosil qiladi. Muayyan intensivlikka erishgandan so'ng, u to'g'ri lazer nurini hosil qilib, qisman M2 oynasi orqali uzatiladi. Muvozanatga erishilganda, rezonans bo'shlig'idagi har bir aylanish paytida stimulyatsiya qilingan nurlanish tomonidan kuchaytirilgan energiya sarflangan energiyani to'liq bekor qiladi, bunda lazer barqaror chiqishni saqlaydi.
Shakl 3-5 Lazerning sxematik diagrammasi
3) Optik rezonans bo'shlig'ining rezonans holati va rezonans chastotasi. Rezonans bo'shlig'ining uzunligi L bo'lsin, u holda rezonans bo'shlig'ining rezonans holati:
Formulada c - vakuumdagi yorug'lik tezligi; l - lazer to'lqin uzunligi; n - faollashtiruvchi materialning sinishi ko'rsatkichi; L - optik rezonans bo'shlig'ining bo'shliq uzunligi; va uzunlamasına rejim raqami,=1, 2, 3.
Rezonans bo'shlig'i faqat yorug'lik to'lqinining to'lqin uzunligini (3-1) qoniqtiruvchi tenglamani yoki yorug'lik to'lqinining chastotasini (3-2) qondiruvchi tenglamani ijobiy qayta aloqa bilan ta'minlaydi, bu ularning bo'shliq ichida bir-birini mustahkamlashiga va lazer nurini hosil qilish uchun rezonansga olib keladi.
Rag'batlantirilgan emissiya nuri faqat bo'shliq o'qi (bo'ylama yo'nalish) bo'ylab tik turgan to'lqinlarni hosil qilganligi sababli, ular uzunlamasına rejimlar deb ataladi (turli rejimlar turli xil maydon taqsimotlariga mos keladi).
4) Tebranishning chegara sharti. Lazerning lazer tebranishini hosil qilishi mumkin bo'lgan minimal daromad chegarasi lazerning chegara holati deb ataladi (F-P bo'shlig'ida yo'qotishlar mavjud, yorug'likning aks etishi va ko'zgulardan sinishi ham doimiy ravishda fotonlarni iste'mol qiladi). Agar Gu chegara oshirish koeffitsientini ifodalasa, u holda tebranishning chegara sharti:
Formulada, optik rezonans bo'shlig'ida faol moddaning yo'qotish koeffitsienti; L - optik rezonans bo'shlig'ining bo'shliq uzunligi; va va - optik rezonans bo'shlig'ining ikkita ko'zgusining aks ettirish koeffitsientlari.
