Материалы с сайта Арсеньева ([6] Материалы Квантовой Электроники И Волоконной Оптики)

Посмотреть архив целиком

6. МАТЕРИАЛЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ

6.1. Некоторые физические понятия квантовой электроники

Квантовая электроника исследует взаимодействие элект­ромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов, ионов, молекул (частиц) твердых тел и создает на основе этих исследований квантовые устройства различных диапазонов длин волн и разных назначений.

Рассмотрим процесс взаимодействия электромагнитного поля с частицами (веществом). Для этого представим себе простейшую систему с двумя энергетическими состояниями m и n, соответствующими значениям внутренней энергии Еm и Еn (рис. 6.1)- Пусть для определенности Еm > Еn, т.е. энергетический уровень с номером m лежит выше, чем энер­гетический уровень с номером n.

Если рассматриваемая система находится в состоянии термодинамического равновесия с внешней средой, то вероятность того, что какая-либо частица находится на энергети­ческом уровне Ет и Еп, характеризуется выражениями



(6.1)

где gт и gn — статистические веса данных уровней (степени вырождения), т. е. число различных состояний для данного энергетического уровня. Населенности этих уровней, т.е. чис­ло частиц с данной энергией в единице объема вещества, оп­ределяются соотношениями

(6.2)



где N0 — общее число частиц, составляющих систему.

Рис. 6.1




Соотношение населенностей уровней Еm и Еп определяет­ся выражением



(6.3)


П

ри Етп в случае термодинамического равновесия темпе­ратура, выраженная через отношение населенностей уровней, равна

(6.4)



Проанализируем выражение (6.4):

1) T=0 К, если Nm=0, т. е. все частицы находятся в ос­новном устойчивом состоянии;

2) T>0 К, если Nп>Nт, т. е. низкие энергетические уровни имеют большую населенность, чем высокие, т. е. со­стояние системы приближается к равновесному;

3) T<0 К, если Мm>Nm, т. е. в результате внешнего воз­действия удалось перераспределить частицы таким образом, что населенность высоких энергетических уровней стала больше, чем низких. Такое соотношение между населенностями энергетических уровней частиц вещества называется ин­версией населенностей. При этом нарушается равновесное со­стояние «вантовой системы, т.е. она приводится в неравно-весное состояние. Отметим, что использование понятия «отри­цательная температура» (Т<0 К) является лишь методиче­ским приемом, позволяющим использовать имеющийся мате­матический аппарат для описания неравновесного состояния систем.

Пусть рассматриваемая нами квантовая система находит­ся в равновесном состоянии. Тогда даже при отсутствии внешнего электромагнитного поля частица, занимающая бо­лее высокий энергетический уровень m, может перейти на бо­лее низкий энергетический уровень n, излучив при этом квант энергии m-Еn. Такое излучение носит название спонтанного излучения (рис. 6.1, а). Если вероятность пере­хода между уровнями m→n в единицу времени обозначить Amn„ (коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения), то мощность спонтанного излучения определяется как

рс= Nттп. (6.5)

Под воздействием внешнего электромагнитного поля кро­ме спонтанного излучения имеет место дополнительное ин­дуцированное (вынужденное) излучение (рис. 6.1, б), выз­ванное электромагнитным излучением соответствующей резо­нансной частоты.

Вероятность (в единице времени) индуцированных пере­ходов пропорциональна плотности излучения Иυ, на частоте, соответствующей энергии перехода ЕтЕл с коэффициен­том пропорциональности Втп (коэффициент Эйнштейна для индуцированного излучения). Мощность индуцированного из­лучения определяется ка,к

ри = Nттп. Иυ (6.6)

Кроме спонтанного и индуцированного излучения в систе­ме частиц во внешнем

электромагнитном поле может проис­ходить резонансное поглощение (рис. 6.1, в). При этом час­тица, находящаяся на нижнем уровне п, переходит на более высокий энергетический уровень т, поглотив квант энергии m—Еп. Вероятность переходов с поглощением энергии поля n → m пропорциональна плотности Иυ на частоте перехода с коэффициентом пропорциональности Вnm (коэффи­циент Эйнштейна для поглощения).

Мощность поглощения определяется по формуле

рпогл = Nnтп. Иυ (6.7)

Введенные Эйнштейном коэффициенты Атn,, Втп, Впт яв­ляются константами с определенными значениями для дан­ного перехода в конкретной частице.

Существуют следующие соотношения коэффициентов Эйнштейна, дающие количественную характеристику излуче­ния:

Вnm=gm /gn*Втn (6.8)

Атп =2πυ3 /( πc3 )*Втп. (6.9)

Важно отметить, что, поскольку спонтанные переходы происходят независимо от внешнего электромагнитного поля, акты спонтанного излучения различных частиц не связаны во времени и между фазами волн, выпускаемыми частицами, нет закономерности. Это определяет некогерентность спон­танного излучения. В противоположность ему индуцирован­ное излучение, вызванное внешним электромагнитным полем, оказывается когерентным с этим полем, т. е. электромагнит­ное излучение, испускаемое при индуцированных переходах, не только имеет с внешним полем одинаковую частоту, но и сохраняет с ним непрерывность по фазе. Именно когерент­ность индуцированного излучения с возбуждающим полем приводит к тому, что при прохождении света через среду, содержащую достаточное количество возбужденных частиц, световой поток по мере прохождения непрерывно увеличивает свою интенсивность, сохраняя когерентность. На этом факти­чески основан принцип работы квантовых усилителей и ге­нераторов.

Для того чтобы система частиц усиливала проходящее через нее электромагнитное излучение, необходимо, чтобы индуцированное излучение частиц превышало поглощение. Это условие выполнено в случае, когда NmNп т. е. между уровнями m иnсоздана инверсия населенностей. Среда ве­щества, в котором осуществлена инверсия населенностей, но­сит название активной среды или рабочего вещества.

Существуют различные способы создания инверсии насе­ленностей в различных веществах:

возбуждение световым потоком (оптическая накачка);

возбуждение электронным ударом;

возбуждение за счет неупругих столкновений атомов;

возбуждение при диссоциации молекул;

инжекция носителей заряда через р—n-переход и др.

Отметим, что наиболее универсальным способом, приме­нимым при любом агрегатном состоянии активной среды, яв­ляется способ оптической накачки.

Создание инверсии населенностей в простейшей двухуров­невой системе, рассмотренной нами, с помощью внешнего возбуждения практически невозможно, так как равны вероят­ности переходов «вверх» и «вниз». Задача может быть реше­на с помощью систем с тремя и четырьмя уровнями. Рас­смотрим процесс получения инверсии населенностей методом вспомогательного излучения в оптическом диапазоне в этих системах.


Рис. 6.2

В трехуровневой системе (рис. 6.2, а) часть частиц актив­ной среды за счет энергии накачки переводится из основного состояния 1 в широкую полосу 3, затем эти частицы безызлучательно переходят на уровень 2. Уровень 2 является метастабильным, т. е. таким возбужденным уровнем энергии час­тицы, с которого запрещен излучательный квантовый пере­ход на более низкие уровни энергии. Благодаря этому вре­мя жизни на этом уровне велико по сравнению с обычными временами жизни возбужденных уровней, что позволяет на­капливаться частицам на этом уровне. Если мощность на­качки достаточна, то между уровнем 2 и основным уровнем 1 будет создана инверсия населенностей. Недостатком этой си­стемы является то, что для создания инверсии населенностей более половины частиц активной среды должно быть переведено из основного состояния в состояние 2. Для этого тре­буется большая энергия накачки.

В четырехуровневой системе (рис. 6.2, б), если конечный (нижний) уровень 4 квантового перехода расположен доста­точно далеко от основного уровня 1, его населенность бу­дет значительно меньше населенности основного уровня. По­этому для создания инверсии населенностей между уровнями 2 и 4 необходим перевод из основного состояния 1 в состоя­ние 2 меньшего числа частиц, следовательно, требуется мень­шая энергия накачки.

На основе принципов, разработанных квантовой электро­никой, созданы приборы различных диапазонов длин волн и различных назначений. К их числу относятся оптические квантовые генераторы (лазеры) — системы, способные ге­нерировать когерентный свет.

Рассмотрим условия, выполнение которых необходимо для создания источника когерентного света:

1. Наличие рабочего вещества. К рабочему веществу ла­зеров предъявляются следующие требования:

узость спектральной линии излучения для получения монохроматического излучения с высокой степенью когерент­ности;

спектральная область возбуждения (полоса поглоще­ния 3, рис. 2) должна быть как можно шире для максималь­ного использования энергии источника накачки;

максимально возможное время жизни возбужденной частицы в метастабильном состоянии;

высокий квантовый выход люминесценции рабочего пе­рехода;

минимальное поглощение энергии при безызлучательных переходах.

2. Для повышения интенсивности излучения на выходе кван­товой системы надо увеличить время взаимодействия рабо­чего вещества с волной. Для этого необходимо создание об­ратной связи в системе, т. е. возвращение части излучения, выходящего из рабочего вещества, в объем, занятый этим ве­ществом, за счет чего идет процесс вынужденного излучения света все новыми и новыми частицами. В лазерах для соз­дания обратной связи рабочее вещество помещают между двумя параллельными зеркалами, отстоящими друг от друга на расстоянии L. При этом для выхода света одно из зеркал делается полупрозрачным. Часть света, отразившись от полу­прозрачного зеркала, проходит через рабочее вещество, где усиливается. Практически два зеркала являются для свето­вых волн открытым резонатором, т.е. системой отражающих поверхностей, в которой могут возбуждаться электромагнит­ные колебания очень высоких частот — СВЧ и оптического диапазона. Важнейшей характеристикой открытого резона­тора является его добротность, т.е. величина, пропорцио­нальная отношению запасенной в резонаторе энергии к рас­сеянной в единицу времени. Величина добротности, В/с, за­висит от диаметра зеркал, расстояния между ними, коэффи­циента отражения зеркал, от свойств активного вещества:

Q=2πυ(Eзап /Eрас)

3. Усиление света в рабочем веществе должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, если бы в резонаторе отсутствовали потери электромагнит­ного излучения, связанные с излучением света наружу, несо­вершенством зеркал (качество зеркал характеризуется коэф­фициентом отражения), наконец потери в самой активной среде, то после многократного пробега волны через рабочее вещество усиление могло достигнуть сколь угодно больших значений. На практике же, для того чтобы лазер заработал, необходимо компенсировать имеющиеся потери энергии, для этого число активных частиц должно превзойти некоторое пороговое значение ∆Nm:

Na=N2-N1; Na>Nn

Na — число активных частиц, т. е. избыток частиц на уровне с большим значением энергии;

N2— населенность уровня с большим значением энергии;

N1— населенность уровня с меньшим значением энергии.

Исходя из сказанного, нетрудно установить структуру квантового генератора. Он должен включать три основных «элемента»: квантовую систему — рабочее вещество, источ­ник накачки и резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь. Конструкция лазера определяется, в пер­вую очередь, агрегатным состоянием и физическими свойст­вами используемого рабочего вещества. В качестве примера рассмотрим устройство твердотельного лазера, принципиаль­ная схема которого приведена на рис. 6.3. Она включает в себя блок активного вещества 1, резонатор 3, систему накач­ки 2. Система накачки состоит из лампы-вспышки, отражаю­щих и фокусирующих устройств, увеличивающих эффектив­ность накачки. Резонатор состоит из двух зеркал, которые могут быть по-разному изготовлены: зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, увеличивающим добротность резонатора; зеркала, образованные нанесением покрытий прямо на полированные торцы рабочего вещества и т. д.


Рис.6.3

Необходимо отметить, что качественные и количественные характеристики лазеров, в первую очередь, зависят от каче­ства материалов, используемых в роли активной среды.

6.4. Электрооптические материалы

Для эффективного использования оптического излучения лазе­ров и других генераторов света необходимо управлять этим излу­чением. Изменение основных параметров излучения: амплитуды, частоты, фазы и вектора поляризации осуществляется с помощью специальных устройств, называемых модуляторами. Принцип действия модуляторов оптического излучения основан на электро­оптическом эффекте.

Электрооптический эффект заключается в изменении показа­телей преломления диэлектрика под воздействием электрического поля. Зависимость изменения показателей преломления от напря­женности электрического поля может быть линейной и квадратич­ной, а соответственно материалы, в которых имеет место электро­оптический эффект, подразделяют на материалы с линейным электрооптическим эффектом и материалы с квадратичным электрооп­тическим эффектом.

Для характеристики электрооптического эффекта вводят спе­циальный параметр — полуволновое напряжение U/2 представляющий собой величину при­кладываемого напряжения, при кото­ром фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°. Чем меньше значение U/2,, тем проще осуществлять управление с помощью данного ди­электрика теми или иными параметра­ми светового излучения и тем больший интерес он представляет для электрооптики. Значение U/2 для различных диэлектриков может составлять от единиц до десятков киловольт и зависит от длины волны света (рис. 6.4.1).

Р
ис.6.4.1 Графики зависимости полуволнового напряжения электрооптических кристаллов от длины волны в видимой области
спектра.



6.4 Электрооптические кристаллы.

6.4.1 Материалы с линейным электрооптическим эффектом.

Линейный электрооптический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Кристаллы с линейным электрооптическим эф­фектом широко используют в. промышленности в качестве модуля­торов лазерного излучения. Кристалл должен удовлетворять сле­дующим требованиям: 1) быть оптически однородным (особенно в диапазоне рабочих частот}; 2) иметь малое полуволновое напря­жение U/2 3) обладать хорошими электрическими характеристи­ками в рабочих интервалах частот и температур; 4) быть устойчи­вым к действию лазерного излучения и факторов окружающей среды; 5) хорошо обрабатываться.

Наиболее широкое промышленное применение получили крис­таллы дигидрофосфата калия КН2Р04 (область прозрачности со­ставляет 0,2—1,35 мкм; U/2 = 10 кВ при =0,546 мкм); дидейтерофосфата калия KD24 (область прозрачности 0,2—1,6 мкм, U/2=3,5 кВ при =0,546 мкм); ниобата лития LiNbO3 (область прозрачности 0,4—0,5 мкм, U/2=3 кВ при =0,546 мкм); танталата лития LiТаО3 (область прозрачности 0,3—6 мкм, U/2=2,5 кВ при =0,546 мкм).

Кристаллы дигидрофосфата и дидейтерофосфата калия выра­щивают из пересыщенных водных растворов. Они достигают боль­ших размеров и высокого оптического качества, стойки к лазерно­му излучению, обеспечивают модуляцию и прохождение световых потоков плотностью свыше 3-1012 Вт/м2. Их недостатком является растворимость в воде, что требует при эксплуатации специальных мер защиты.

Кристаллы ниобата и танталата лития выращивают методом вытягивания из расплава (метод Чохральского). Они по сравнению с кристаллами дидейтерофосфата калия более устой­чивы к воздействию внешней среды, требуют меньших управля­ющих напряжений, однако уступают в размерах, оптической одно­родности и стойкости к лазерному излучению.

Наряду с перечисленными кристаллами используют некоторые кристаллы кубической сингонии типа сфалерита (GaAs, CdTe, ZnS, CuCl). Эти кристаллы ввиду слабой зависимости ди­электрической проницаемости от длины волны излучения приме­няют в модуляторах СВЧ-диапазона.

6.4.2 Материалы с квадратичным электрооптическим эффектом.

Квад­ратичный электрооптический эффект характерен для кристаллов, имеющих центр симметрии, и для изотропных сред (например, жидкостей). Практический интерес представляют кристаллы перовскитов: танталата-ниобата калия Kta0,65Nb0,35O3, титаната ба­рия ВаТiO3, а также некоторые жидкости: нитробензол, сероугле­род и др. Полуволновое напряжение кристаллов группы перовскитов значительно меньше, чем у кристаллов, обладающих линей­ным электрооптическим эффектом. Однако широкому использова­нию этих кристаллов в системах модуляции и отклонения излучения препятствуют технологические трудности выращивания опти­чески однородных кристаллов.

В настоящее время в качестве электрооптического материала начали применять оптически прозрачную сегнетокерамику. Наи­больший интерес представляет оптически прозрачная сегнетокерамика системы ЦТСЛ Рb(ZrxTi1-x)O3+yLa2O3, где х показыва­ет относительное содержание атомов Zr, у — относительное содержа­ние молекул оксида лантана. В зависимости от состава компонентов в системе ЦТСЛ может наблюдаться как линейный элек­трооптический эффект, так и ярко выраженный квадратичный эф­фект. Кроме того, сегнетокерамические материалы системы ЦТСЛ обладают электрооптическим эффектом памяти, который заключа­ется в том, что изменения показателя преломления, вызванные при­ложением электрического поля, сохраняются и после снятия поля, так как сохраняется остаточная поляризация.

6.4.3 Материалы с динамическим электрооптическим эффектом рас­сеяния света. Физическая сущность эффекта динамического рассея­ния света обусловлена беспрерывным хаотическим изменением по­казателя преломления диэлектрика при воздействии на него внеш­него электрического поля. Эффект динамического рассеяния све­та характерен для жидких кристаллов.

Жидкокристаллическое состояние — это термодинамически ус­тойчивое агрегатное состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние существует лишь в определенном интервале температур между точкой кристаллизации и точкой превращения вещества в изотропную жид­кость.

Существует несколько структурных разновидностей жидких кристаллов: нематические, смектические, холестерическае. Наибо­лее широко используют нематические жидкие кристаллы, характе­ризующиеся следующими основными осо­бенностями: молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую нитевидную конфигура­цию, в равновесном состоянии молекулы ориентируются преимущественно вдоль оп­тической оси кристалла; межмолекулярные силы взаимодействия очень слабы, что дает возможность легко изменять структуру жид­кого кристалла (ориентировать молекулы) под влиянием внешних воздействий (электрического поля, температуры и т. д.); имеет место оптическая и электрическая анизотропия, т.е. значения показателя преломления и диэлектрической проницаемости в правлении вдоль больших осей молекулы и перпендикулярно ему различны.

Если слой слегка проводящего нематического жидкого кристал­ла поместить в слабое электрическое поле, то молекулы под дей­ствием этого поля начинают ориентироваться. Возникающий поток ионов стремится нарушить эту ориентацию. При достижении элек­трическим полем некоторого порогового значения ранее устойчивая упорядоченная структура разрушается, молекулы начинают бес­порядочно вращаться и рассеивать падающий свет во всех направ­лениях. Внешне этот эффект проявляется в том, что жидкий крис­талл, будучи в исходном состоянии прозрачным, при напряжениях выше порогового становится мутным, как матовое стекло. Способ­ность жидких кристаллов эффективно изменять интенсивность проходящего через них света под влиянием электрического поля обусловила использование их в устройствах отображения инфор­мации, в устройствах оптической обработки информации и др. Наиболее широко используют жидкие кристаллы для построения буквенно-цифровых индикаторов. Основной конструкцией боль­шинства типов буквенно-цифровых индикаторов является жидко­кристаллическая ячейка (рис. 6.4.2). Она представляет собой две стеклянные пластинки, на внутренние стороны которых нанесены тонкие прозрачные электроды.

Р
ис.6.4.2

Устройство индикатора на жидких кристаллах:1-стеклянные платины; 2- жидкий кристалл; прозрачный электрод; 4-зеркальный электрод

Пластины сварены между собой, так что они образуют плоский сосуд, причем расстояние между внутренними стенками обычно равно 5—50 мкм. Сосуд заполняют жидким кристаллом и герметически запаивают. При подаче напря­жения больше порогового жидкий кристалл рассеивает падающий свет и высвечивает электрод. Для возникновения эффекта динами­ческого рассеяния света удельная проводимость жидкого кристалла должна составлять 10-11—10-12 См/м; при меньших значениях

эффект динамического рассеяния света не возникает, а при больших значительно снижается ресурс работы. Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1—10 мс, а время исчезновения после снятия напряжения —20—200 мс. Эффект ди­намического рассеяния света возникает под воздействием невысо­ких напряжений (от нескольких вольт до десятков вольт) и при чрезвычайно малом потреблении энергии (0,1—1 Вт/м2), что позволило создать на основе жидких кристаллов самые экономич­ные устройства отображения информации. В качестве жидких крис­таллов нематического типа применяют очень многие органические соединения — азометины, сложные ароматические эфиры, азокси-соединения и др. Наилучшие результаты для технического приме­нения дают их эвтектические смеси.






Случайные файлы

Файл
100719.rtf
722.doc
5914-1.rtf
74653-1.rtf
70651-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.