вило, уменьшением порога и увеличением мощности генерации, а также значительным уменьшением расходимости генерируемого излучения.

Параметрическая генерация. В 1977 г. А. Ярив и Д. М. Пепер теоретически показали возможность получения параметрической генерации при встречном четырех-волновом взаимодействии в средах с кубической нелинейностью. В 1978 г. такая генерация была реализована в сероуглероде при накачке рубиновым лазером и в парах натрия, возбуждаемых лазером на красителях.

Термины «параметрическая генерация» и «усиление» возникли в радиофизике и означают в этой области возбуждение или усиление электрических колебаний в резонаторе, в частности в колебательном контуре, при периодическом изменении его параметров, т. е. емкости или индуктивности. Например, если емкость конденсатора путем перемещения пластин модулировать с частотой Wo, то в резонаторе возникают электромагнитные колебания с частотой (йо/2. Это и есть параметрическая генерация.

В оптическом резонаторе роль непрерывной цепочки связанных колебательных контуров выполняет нелинейная среда, в которой под действием интенсивного излучения диэлектрическая проницаемость становится функцией напряженности электрического поля волны. В результате накачка с частотой сОн и волновым вектором х„ генерирует излучение двух других частот и», и шг. При этом выполняется закон сохранения энергии и импульса p = /ix:

СОн = 0)1 +0)2, >Сн = Х1 +К2.

(5.33) (5.34)

Второе равенство называется условием фазового синхронизма. В частном случае возможна генерация на вырожденной частоте, когда oji = u)2 = u)h/2. В полупроводниках параметрическая генерация на вырожденной частоте впервые была обнаружена С. Г. Одуловым, С. С. Слюсо-ренко и М. С. Соскиным в 1984 г. на монокристаллах теллурида кадмия. Схема взаимодействия волн показана на рис. 5.14.

На пластинку из теллурида кадмия толщиной 2 мм навстречу друг другу направлялось излучение неоди-мового лазера на алюмоиттриевом гранате, работающего в режиме модулирования добротности (см. §4.2). Интенсивности встречных пучков (см. формулу (1.2)) выдер-

Рис. 5.14. Параметрическая генерация в CdTe при чегы-рехволиовом взаимодействии:

г-накачка; 3. -обращаемые волны; 5 - зеркало; 6 - пластинка из CdTe

живались одинаковыми с точностью до 5%. В результате интерференции пучков в образце создавалась динамическая решетка фотовозбужденных пар свободных носителей. Такая решетка обладает свойством обраиения падающих на нее волн, т. е. волны отражаются независимо от угла падения в обратном направлении. Для сравнения отметим, что в обычном плоском зеркале волны отражаются назад только тогда, когда угол падения равен нулю.

На расстоянии 1,5...2 см от образца помещалось зеркало 5 с большим значением коэффициента отражения, которое вместе с образцом создавало плоский резонатор.

Образец с созданной в нем динамической решеткой выполняет роль плоского зеркала и может быть назван обращающим плоским зеркалом, причем ориентация плоскости зеркала задается не его поверхностью и не лучами /, 2, а зеркалом 5. Следовательно, такой резонатор не требует юстировки. Обращающее и обычное зеркала функционально всегда плоскопараллельны.

Как и в обычном лазере, параметрическая генерация характеризуется пороговым значением накачки. В интервале от одного до двух порогов наблюдалась линейная зависимость мощности генерации от интенсивности возбуждения. При заданной накачке мощность генерации растет с уменьшением угла между осью резонатора и направлением распространения возбуждающего излучения.

Максимальный КПД достигает 5%.

Менее интенсивная и при большем пороге параметрическая генерация на длине волны %т - 2%п возникает и при отсутствии зеркала 5. Генерируемое излучение в этом случае распространяется навстречу возбуждающему излучению.

Вопросы и задачи

5.1. В чем заключаются преимущества и недостатки оптической иакачки? 5.2. Ширина запрещенной зоны прямозоиного полупроводника с изотропными эффективными массами £g=l,42 эВ; при >ч =0,867 мкм коэффициент поглощения, обусловленный прямыми разрешенными переходами, k(Xi) =8-10 см. Рассчитайте значение коэффициента поглощения для >.2 = 0,843 мкм, 5.3. Энергия связи экситона £э = 4,2 мэВ. Определите длину волны излучения экситона при его переходе со второго на первый (основной) уровень. 5.4. Какие спектроскопические характеристики полупроводника изменяются при его легировании? 5.5. Установлено, что коэффициент поглощения свободными носителями пропорционален Х. Назовите преобладающий механизм рассеяния электронов в полупроводниковом кристалле. 5.6. В каких пределах обычно изменяется коэффициент двухфотонного поглощения? Чем ограничивается его верхний предел? 5.7. В каком диапазоне длин волн X будут наблюдаться линии поглощения, обусловленные переходами донориый уровень - зона проводимости, если глубина залегания уровней равна 0,05...0,3 эВ? 5.8. В каких случаях интенсивность прошедшего через оптический фильтр излучения S не зависит от интенсивности излучения So, падающего на переднюю поверхность фильтра? Как зависит от So пропускание такого фильтра? 5.9. Как отражается на зависимости порога генерации от коэффициента потерь просветление активной среды на частоте возбуждающего излучения? Постройте качественные графики функции Sn(Kn) при различных значениях параметра нелинейности: а = 0, ai<a2. 5.10. Запишите условие максимального значения Sr при заданном уровне накачки. 5.11. В чем заключается специфика генерации тонких пластин? Почему если возбуждать лишь часть активной среды, то генерация наблюдается только в тонких пластинах? 5.12. Чем ограничена предельная концентрация свободных экситонов? 5.13. Радиус экситона равен 15 нм. Оцените концентрацию экситонов, обеспечивающую их плотную упаковку. 5.14. На каких экситонных переходах обычно реализуется генерация? 5.15. В микрорезонаторе лазерный луч два раза отражается от передней грани шириной ш=12 мкм и 28 раз от боковой грани, / = 620 мкм. Под каким углом {)<. к грани / он выходит из резонатора, если показатель преломления кристалла равен 3,6? 5.16. В каком температурном интервале может работать лазер с резонатором иа электронио-дырочной жидкости? 5.17. Какой эффект дает нанесение дифракционной . решетки на поверхность активной среды? 5.18. Как настраивается резонатор с обращающим зеркалом? 5.19. Запишите условие фазового синхронизма. 5.20. Чему равна вырожденная частота параметрической генерации, если энергия квантов накачки /iVh = 2,5 эВ?

Лазеры с электронной накачкой

Глава 6. ЛАЗЕРЫ С ЭЛЕКТРОННОЙ НАКАЧКОЙ

§ 6Л. ВОЗБУЖДЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ БЫСТРЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ

Виды потерь энергии электронов в твердом теле.

Движение электронов в веществе с большими скоростями Ue сопровождается многими прямыми и побочными процессами. Если Ue больше фазовой скорости света с/п, возникает излучение Вавилова - Черепкова. Электроны теряют некоторую незначительную часть своей энергии. Для каждого вещества имеется определенная критическая энергия кр, в области которой наибольший и примерно равновеликий вклад в потери энергии электронов вносят тормозное излучение и ионизация атомов и молекул среды. Значения £кр электронов в свинце, меди и углероде соответственно равны 6,9; 21,5 и 103 МэВ. Если £е> кр, то преобладают потери энергии, связанные с их торможением в кристалле, при Ее<Емр наиболее существенными становятся ионизационные потери. Тормозное излучение характеризуется широким спектром, причем значительная его доля приходится на область мягкого рентгена. Ионизованные атомы в процессе заполнения внутренних оболочек электронами также становятся источниками рентгеновских лучей.

Первичный электрон, проникший в кристалл, до первого столкновения с частицами среды движется прямолинейно, а затем по ломаной кривой, как броуновские частицы. Возникающие при столкновении вторичные электроны обладают достаточно большими энергиями для ионизации все новых и новых атомов.

Когда энергия электронов становится меньше средней энергии ионизации /, равной для арсенида галлия, например, порядка 200...300 эВ, на первый план выступает генерация свободных электронов и дырок. Горячие сво-

Лазерные электронные трубки (А. С. Насибов)