Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30


ность верхнего уровня возрастает, пока не превысит пороговую величину, при которой воз-никает когерентное излучение. Уровень начинает опустошаться быстрее, чем заселяться, и излучение либо ослабевает, либо срывается. Через некоторое время верхний уровень заселяется до порогового значения, и процесс повторяется. Если мощность накачки значительно лревышает пороговую, то первоначально возникающие *1пички имеют тенденцию к убы- ванию.

J . Рис. 10.17. Пичковый режим работы твердо-

тельного ОКГ

Импульсная мощность излучения рубиновых ОКГ может составлять киловатты, а в режиме модуляции добротности (см. § 10.9) - существенно больше, однако кпд их не превышает 1%-В настоящее время созданы также генераторы на рубине, работающие в непрерывном режиме. При этом кристаллы необходимо охлаждать. Для уменьшения пороговой мощности накачки размеры кристалла выбираются небольшими. В качестве источников накачки в непрерывном режиме используются дуговые капиллярные и шаровые лампы, а также специальные вольфрамо-иодные лампы накаливания. При кпд 0,05% получена непрерывная выходная мощность излучения ОКГ около 2 Вт, однако наблюдались значительные ее флуктуации во времени.

Для использования в системах связи весьма перспективными представляются ОКГ на алюмо-иттриевом гранате Y3AI5O12, легированном активными ионами неодима N(1+ (сокращенно ЛИГ: Nd). Структура энергетических уровней AHr:Nd достаточно сложна, и генерация может осуществляться по четырехуровневой схеме на большом числе инфракрасных переходов в диапазоне длин волн от 0,94 до 2,1 мкм. Основной из переходов при комнатной температуре излучает волны длиной 1,064 мкм. Накачка наиболее эффективна при длинах волн 0,81 и 0,75 мкм.

Конструкция генератора на AHr-.Nd сходна с конструкцией рубинового ОКГ, однако в ряде случаев активный стержень приходится охлаждать проточной водой. В непрерывном режиме на стержне длиной 15 см и диаметром 1 см была достигнута максимальная мощность 750 Вт при кпд 1,7%- Для связи обычно необходимы средние мощности порядка нескольких ватт. Они в боль- шинстве случаев легко получаются в генераторах на гранате. Достоинством таких ОКГ является также относительно низкий уровень флуктуации выходной мощности - от 0,1 до 1 %

Срок службы твердотельных ОКГ определяется в основном лампами накач-кн. Вольфрамо-иодная лампа накаливания в ОКГ на гранате, обеспечивающая получение выходного когерентного излучения мощностью в несколько ватт, имеет срок службы от 500 до 1500 ч. В то же время получение подобной выходнин мощности от рубинового ОКГ заставляет так форсировать режим лампы накьч-ки, что срок ее службы сокращается до 25 ч.

После1нее время появились сообщения об использовании в качестве псточ-нпков накачки некогерентных электролюминесцентных диодов. Излучение таких диодов сосредоточено в довольно узком участке спектра, совпадающем с полосой поглощен>)я некоторых ОКГ, а потому накачка происходит весьма эффективно. Например, диоды из GaAsP излучают при комнатной температуре на длине волны 0,81 мкм с кпд 4-8%- Такие диоды могут применяться для накачки генераторов на АИГ: Nd.

В твердотельных ОКГ в качестве активаторов могут применяться и другие редкоземельные элементы, например, диспрозий, самарии. Нейтральным веществом, куда вводятся активаторы, могут быть специальные сорта стекол, воль-фрамат кальция п др. В табл. 10.2 приведены параметры некоторых отечественных ОКГ на твердом теле.

ТАБЛИЦА 10.2

Отечественные твердотельные импульсные ОКГ

Тип

Рабочая среда

Длина волны, ыкм

Энергия излучения, Дж

Энергия накачки, Дж

Угол расходимости, мин

Стекло Nd3

1,06

ГОС-ЮОМ

1,06

30 00£,

ГОС-1000

1.06

1000

120 000

ГОР-02

Рубин

0,69

ГОР-ЮОМ

0,69

15 000

§ 10.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОКГ

На возможность получения когерентного излучения при возбуждении полупроводниковых материалов впервые было указано в работах советских физиков Н. Г. Басова, Ю. М. Попова, О. Н. Крохина. При рекомбинации электронов и дырок выделяется энергия, равная разности энергетических состояний носителей. Выделяемая энергия может быть излучена в виде фотона или безызлу-чательно передана кристаллической решетке.

Излучательная рекомбинация может осуществляться различными способами: при переходах электронов из зоны проводимости в валентную зону или на примесный акцепторный уровень, при переходах с донорного уровня в валентную зону или на акцепторный уровень и др.

На выбор материала для полупроводникового ОКГ существенно влияют микроструктура поля кристаллической решетки и определяемая ею структура границ энергетических зон. При квантовых переходах, помимо закона сохранения энергии, выполняется также закон сохранения импульса р (в механике импульсом называют количество движения: p = mv, где т н v -масса и скорость частицы):

Р1 = Р2+РФ+Ркр.

где Pi и ра - импульсы электрона до перехода и после пего: рф - импульс фотона; р„р -пмпульс, переданный кристаллической решетке (или полученный от нее)

Импульс фотона по сравнению с импульсом электрона имеет ничтожно малую величину. Поэтому, если нмпульсы электрона в начальном и конечном состояниях одинаковы: pi=p2, то кристаллическая решетка не участвует во взан-моденствпи: Ркр=0.



Квантовые переходы, при которых импульс частиц не меняется, называются прямыми. Наоборот, при непрямых переходах электроны изменяют свой импульс, и тогда во взаимодействии участвует кристаллическая решетка, обеспечивающая выполнение закона сохранения импульса.

Вероятность непрямых переходов существенно меньше, чем прямых, поскольку при рекомбинации электрона и дырки кристаллическая решетка должна одновременно получить или передать импульс р„р, т. е. обладать определенной локальной интенсивностью колебаний. Очень часто непрямые переходы бывают безызлучательными, когда вся энергия, выделяющаяся при рекомбинации, передается кристаллической решетке.

В настоящее время для создания полупроводниковых ОКГ ис пользуются только такие материалы, в которых вследствие специфической структуры границ энергетических зон возможны прямые переходы. Германий и кремний не удовлетворяют этому условию. Практическое применение находят различные соединения галлия, индия, свинца, кадмия (например, арсенид галлия), а также бинарные соединения: арсенид-фосфиды индия и галлия, селенид-сульфид кадмия и др. У этих кристаллов экспериментально измеренные длины волн вынужденного излучения заключены в пределах от 0,33 до 8,6 мкм.

Как известно, ширина запрещенной зоны у полупроводниковых материалов составляет от тысячных долей до единиц электрон-вольт. Поэтому можно предположить, что в будущем полупроводниковые ОКГ смогут генерировать колебания в диапазонах волн от ультрафиолетовых до миллиметровых.

Для усиления и генерации когерентного излучения в полупроводниковом кристалле необходимо создать состояние с инверсной населенностью^ уровней. Например, если инверсная населенность создается на переходе зона проводимости-валентная зона, то концентрация электронов в верхней энергетической зоне должна быть больше, чем в нижней, и тогда вынужденные переходы вниз преобладают над переходами вверх.

Известно, что в равновесном состоянии полупроводника вероятность занятия электронами энергетических уровней определяется функцией распределения Ферми. Согласно этой функции чем выше расположен уровень, тем меньше вероятность его заполнения. Таким образом, инверсная населенность может возникнуть только в полупроводниках, находящихся в возбужденном, неравновесном состоянии. В неравновесном состоянии пользуются понятием не уровня Ферми, а квазиуровней Ферми, вероятность заполнения которых по-прежнему равна 0,5, но которые не одинаковы для различных энергетических зон.

В состоянии инверсной населенности на переходе зона-зона квазиуровни Ферми Wf и Wpp располагаются в зоне проводимости и в валентной зоне (см. рис. 10.18). Действительно, вероятность заполнения электронами энергетических уровней W, заключенных в пределах WnWKWpn, превышает 0,5, а вероятность заполнения уровней Wfp<WWb меньше половины, где через W и Wb обозначены границы зон. Поскольку энергетические плотности дозволенных уровней в зонах проводимости и валентной одинаковы,

концентрация электронов в зоне проводимости !выше, чем ib валентной зоне.

Расположение уровня Ферми вне запрещенной зоны присуще .вырожденным полупроводникам (см. § 6.1), которые и применяются в полупроводниковых ОКГ.

Для возбуждения полупроводниковых кристаллов .используют различные методы: инжекцию носителей заряда через р-п-(переход, электроиное ©оабуждение, оптическую иакачку, лавинный пробой полупроводи ик а.

.На1иболее раапространенным типом полупроводниковых ОКГ являются ин-жекционные генераторы на /з-пчпереходе из вырожденных полупроводников. Под (рис. 10.19) уменьшается


Рис. 10.18. Энергетическая диаграмма вырожденного полупроводника:

/ - зона проводимости; 2 - валентная зона

действием смещения высота штвнциальнопо барьера, и iB область перехода инжектируются основные носители. Заштрихованные участии 1на рис. 10.19 соответствуют энергетичеоиим icoctohhhihm


Рис. 10.19. Энергетическая диаграмма р-п-перехода при прямом смещении

С .ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ заполнения электронамн. Тамим образом, в области р-пчперехода возникает инверсная Н'аоеЛвнность и происходит подавляющее ч1исло излучательных рекомбинаций.

Как видно из рис. 10.19, фотоны, излучаемые при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости, могут иметь энергию W. заключенную в пределах Wa<W<W,. Здесь W -ширина запрещенной зоны, а Wi - расстояние между квазиуровнями Ферми в п- и /з-полупроводниках. Если энергия фотонов внешнего излучения меньше Wa, они не взаимодействуют с веществом - вещество прозрачно, а если эта энергия больше Wi, наблюдаются переходы электронов с нижних уровней на верхние -вещество поглощает излучение. Таким образом, особенностью полупроводнико-



вых ОКГ является принципиальная возможность работы в полосе частот:

Wjhf<W,/h. (10.22)

При небольших токах инжекции излучение определяется исключительно спонтанными переходами из зоны проводимостив валентную зону. Такое некогерентное излучение размещено в полосе, определяемой ф-лой (10.22), и называется люминесценцией. Некоторая часть фотонов движется вдоль р-п-перехода и может вызвать акты индуцированного излучения. При больших токах инжекции доля индуцированного излучения возрастает и наблюдается эффект суперлюминесценции, или сверхизлучения. Он проявляется в увеличении интенсивности излучения в плоскости /7-п-перехода. Спектр излучения по-прежнему широк, однако он становится неравномерным, с большим числом максимумов и минимумов.

Поместив активную среду в резонатор, можно увеличить плотность поля и получить когерентное излучение. Устройство одного из инжекционных полупроводниковых ОКГ показано на рис. 10.20. В качестве активного вещества использован арсенид галлия GaAs с некоторыми тримесями. Кристалл арсеиида галлия имеет форму усеченной пирамиды с линейными размерами порядка миллиметра.

Л


30 70

10

излучение

Рис. 10.20. Полупроводниковый инжекционный ОКГ

0,6 0.8 1,0 1,2 це

Рис. 10.21. Вольтамперная характеристика ий-жекциоиного ОКГ

причем две боковые грани отполированы так, чтобы быть строго параллельными друг другу. Эти грани образуют пару полупрозрачных зеркал объемного резонатора. Коэффициент отражения их составляет всего 30-40%, однако вследствие большого усиления за один проход этого оказывается достаточным для самовозбуждения генератора. Две другие грани скошены и оставлены шероховатыми, чтобы уменьшить число возможных типов колебаний объемного резонатора.

В связи с малыми размерами объемного резонатора направленность излучения получается невысокой, причем различной в го-

ризонтальной и вертикальной плоскостях. Ширина главного лепестка составляет соответственно от единиц до десятка градусов. Рабочая длина волны - 0,84 мкм.

Вольтамперная характеристика инжекционных ОКГ похожа иа характеристику обычного полупроводникового диода (рис. 10.21). Рабочие режимы ОКГ располагаются на крутом восходящем участке характеристики, на котором дифференциальное сопротивление составляет менее одного ома. Таким образом, выход источника питания должен быть согласован с весьма ннзкоомной нагрузкой. Рабочую точку целесообразно устанавливать по величине тока, а не напряжения.

Если ток возбуждения превышает пороговую величину, возникает когерентное излучение. Качество полупроводниковых диодов принято характеризовать плотностью порогового тока, т. е. током, приходящимся на единицу площади р-п-перехода. Чем меньше плотность порогового тока, тем легче осуществить режим когерентного излучения.

Плотность порогового тока в значительной мере определяется технологией изготовления диодов. В кристалле не должны присутствовать в большом количестве дефекты и посторонние примеси. Область р-п-перехода должна быть плоской и перпендикулярной к отражающим поверхностям кристалла.

При увеличении длины кристашла L (длины резонатора) усиление за оди проход возрастает и соответственно падает плотность порогового тока. Как показывает анализ и эксперимент, плотность порогового тока примерно пропорциональна величине 1/£.

При повышении температуры квазиуровни Ферми приближаются к границам соответствующих энергетических зон, и инверсия населенностей в переходе уменьшается. Соответственно снижается усиление и возрастает плотность порогового-тока. Величина температуры также влияет на длину волны и спектральный состав излучения, поскольку при увеличении температуры уменьшается ширина запрещенной зоны и меняется показатель преломления кристалла.

Полупроводниковые ОКГ работают при очень больших плотностях тока инжекции - тысячи и десятки тысяч ампер на квадратный сантиметр, из-за чего активная среда разогревается. Поэтому большинство генераторов работает в импульсном режиме и с охлаждением жидким азотом или даже жидким гелием. Мощность выходных импульсов до сотен ватт, средняя - десятки милливатт.

Особенностью полупроводниковых ОКГ является высокий кпд. теоретически близкий к 100%. Используемая здесь двухуровневая система гораздо экономичнее трехуровневой, в которой неизбежны потерн на вспомогательном безызлучательном переходе. Реальные инжекционные генераторы обладают кпд до 70%.

Отечественная промышленность выпускает импульсный ОКГ на арсениде галлия типа Луч-З . Прибор развивает мощность до 10 Вт при длительности импульсов 2 МКС. Рабочая длина волны составляет 0,84 мкм, охлаждение производится жидким азотом

В настоящее время есть импульсные генераторы на арсениде галлия, которые работают при комнатной температуре, а также охлаждаемые генераторы непрерывного действия. Проводятся исследования по созданию инжекционных ОКГ на гетеропереходах (переходах между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны), действующих в непрерывном режиме при комнатной температуре. nvr

Помимо инжекционных, существуют и другие типы полупроводниковых им . В генераторах с электронным возбуждением инверсия населенностей создаете?? бомбардировкой однородного чистого полупроводника пучком быстрых (да 0.5 МэВ) электронов. .Хотя кпд таких приборов ниже (до 20 7о). от них можно получать значительно большие импульсные мощности -до 1-2 кВт, поскольку



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30