ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

مقاله ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی

 

این فایل با فرمت word و قابل ویرایش میباشد

این فایل همراه با تصاویر میباشد

 

فهرست مطالب

عنوان صفحه

چکیده

فصل اول

مقدمه ای بر لیزر (مبانی لیزر)

مقدمه 2

هدف 3

شباهت و تفوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزرها 4

1-1- خواص بار یکه لیزر 5

1-2- انواع لیزر 7

1-3- وارونی انبوهی 9

1-3-1- برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با اتم 12

1-3-2- فرایندهای تاثیرگذار بر غلظت اتمها در حالت های مختلف 13

1-3-3- بررسی احتمال گذارها و معادلات تعادلی 14

1-4- پهن شدگی طیفی و انواع آن 15

1-5- انواع کاواک نوری (فیدبک) 19

1-6- برهم نهی امواج الکترومغناطیسی 22

1-6-1- فاکتور کیفیت برای ابزارهای نوری Q 24

1-6-2- انواع تشدیدگرهای نوری و کاربرد آن 25

فصل دوم

لیزر نیمه هادی و انواع ساختار آن

2-1- مواد نیمه هادی 27

2-2- بازده گسیل خودبخودی 30

2-3- انواع بازترکیب 31

2-4- گاف انرژی و انواع آن 33

2-5- وارونی انبوهی و روش پمپاژ در لیزر نیمه هادی 35

2-6- اتصال p- nاولین تحقق لیزر نیمه هادی 37

2-7- انواع ساختارها 39

2-7-1- روشهای گسیل نور در لیزر نیمه هادی 40

2-7-2- لیزر با ساختار تخت 40

2-7-3- مشکلات لیزر پیوندی همجنس 41

2-7-4- لیزرهای پیوندی غیرهمجنس 42

2-7-5- رابطه جریان و خروجی در لیزر تخت 43

2-8- ساختار DFB 44

2-8-1- طیف خروجی از لیزر DFB 45

2-9- تاثیرات دما به طیف گسیلی ساختارها 46

2-10- مختصری راجع به بحث نوری 48

2-11- لیزرهای نیمه هادی و دیودهای نور گسیل 51

2-12- جریان آستانه –خروجی 55

2-13- روشهای بهبود و افزایش بازده کوانتومی داخلی 57

2-14- لزوم اتصالات اهمی 58

فصل سوم

طیف خروجی لیزر نیمه هادی و عوامل مؤثر بر آن

3-1- تغییرات چگالی جریان آستانه و فشار هیدروستاتیکی 61

3-2- واگرایی پرتو خروجی 62

3-3- خروجی ساختارها 63

3-4- محاسبه پهنای طیف در لیزرهای نیمه هادی در ساختارهای مختلف 65

3-5- انواع پهنای طیف 69

3-6- کوک پذیری لیزر نیمه هادی 73

3-7- روابط و معادلات مهم در تولید و بازترکیب حاملها 75

3-8- بهره در حالت پایا و جریان آستانه 79

3-9- اهمیت کاواک لیزر 84

3-10- مدهای تولید شده در داخل کاواک 89

3-11- تفاوت اساسی مدهای طولی و عرضی 92

 

فصل چهارم

بررسی و تحلیل طیف های خروجی (کارهای تجربی)

پیشنهادات و نتایج

4-1- انواع اتصال دیود و طیف خروجی 97

4-2- تحلیل مشخصه های لیزر نیمه هادی 98

1- مشخصه ولتاژ- جریان (V- I) 98

2- مشخصه جریان- مقاومت دینامیکی 101

3- مشخصه جریان- توان (P- I) 102

4- مشخصه جریان- راندمان کوانتومی دیفرانسیلی 103

5- مشخصه توان طول موج 103

نمودارهای تجربی 104

4-3- نتایج 112

پیشنهادات 115

منابع فارسی 116

منابع لاتین 117

 

فصل 1

 

مقدمه ای بر لیزر (مبانی لیزر)

 

مقدمه:

تا سال 1960 اپتیک، صنعت نسبتاً کوچکی را تشکیل می داد که مباحث نسبتاً جامع و تکامل یافته چون ابزارهای نوری، دوربین ها، میکروسکوپ ها، و کاربردهای عملی را در بر می گرفت بعدها لیزر پای بر صحنه نهاد ابتدا لیزر یاقوت، گازی و سپس لیزر تزریقی نیمرسانا اوایل، بصورت اساسی به کاربردهای لیزر دست نیافته بودند اما در مرحله جدیدتر توانستند به امکانات بالقوة لیزر در مخابرات، در پردازش، ذخیره و بازاریابی اطلاعات در جراحی چشم از طریق لیزر، الگوی برش لیزری، برش فولاد با لیزر و استفاده از لیزر در مرحله ای از تولید سوخت هسته ای و دگرگونی های عظیم در مخابرات نوری و …دست یابند

پیدایش تارهای شیشه ای بسیار کم اتلاف باعث شده است که مخابرات لیزر، جایگزین بسیار باارزش برای اتصال های سیمی مطرح شود بطور کلی لیزر تحول عظیمی در زندگی بشر و دنیای اطلاعات و …بر جای گذاشت اهمیت لیزر نیمه هادی، بیشتر بخاطر داشتن ساختار بسیار کوچک و نسبتاً ارزان با قابلیت بسیار زیاد در صنایع مخابرات می‎باشد بسامد نخستین لیزر، یاقوت، در طول موج عبارتست از که کمیت مورد توجه هر مهندس مخابرات است حال اگر فقط 1% از این بسامد حامل برای پهنای باند اطلاعاتی بکار گرفته شود در این صورت یک کانال مخابراتی فراهم می‎آید که ظرفیت آن دو تا سه مرتبه بزرگی (102 تا 103) از پهن ترین کانال های موجود بیشتر است

برخی ارتباط های تقویت رادیویی میکروموجی که شرکت مخابرات از آن ها بهره می‎گیرد دارای پهنای باند اطلاعاتی، شامل 10% از بسامدهای حاصل است در نتیجه یک باریکة لیزر می‎تواند تعداد زیادی برنامة تلویزیونی (با پهنای باند MHZ5) و تعداد زیادی مکالمة تلفنی (پهنای باند برای هر مکالمه تلفنی KHZ40) را به صورت همزمان منتقل کند

 

هدف:

هدف از انتخاب این موضوع، لیزر نیمه هادی، از چندین بخش تشکیل یافته است:

1- لیزر نیمه هادی به خاطر سهولت کاربرد و کارایی وسیع آن در مخابرات از مهمترین نوع لیزرها می‎باشد

2- توان الکتریکی مصرف شده برای راه اندازی لیزر نیم رسانا بسیار پایین تر از سایز لیزرها می‎باشد چنین لیزری ممکن است با بازده بالای 50% کار کند علت بالا بودن بازده، بخاطر کوچک بودن ابعاد و در نتیجه بالا رفتن چگالی جریان می‎باشد

3- در لیزر نیمه هادی آینه معمولی، به عنوان فیدبک اپتیکی وجود ندارد در چنین لیزری آینه های لیزری، از برش (کلیو) نمودن ساختار بلوری ایجاد می‎شود

4- قابلیت کنترل خروجی با استفاده از تغییرات در ساختار نیمه هادی (اعم از ناخالصی ها و گاف نوار و …)

…

در این مطالعه، سعی شده است تا با بررسی روابط میان پارامترهای مختلف اعم از جریان آستانه، توان خروجی، اثرات موجبری و …بتوان با تقریب خوبی، خروجی مورد نظر در کارهای مختلف را تولید نمود

شباهت و تفاوت لیزر نیمه هادی با سایر لیزرها:

لیزرهای نیمه هادی شبیه سایر لیزرها (لیزر حالت جامد، یاقوت و …) هستند و در آنها تابش گسیلی دارای همدوسی زمانی و مکانی بوده و پرتو لیزری آنها بسیار تک رنگ (پهنای باند کوچک) و از راستاییِ زیادی، برخوردار هستند اما لیزرهای نیمه هادی در بعضی جنبه ها با سایر لیزرها تفاوتهایی دارند از جمله:

1- در لیزرهای رایج گذارهای کوانتومی بین ترازهای انرژی مجزا صورت می‎گیرد در حالیکه در لیزر نیمه هادی گذارها به خواص نوری مواد بستگی دارند

2- لیزرهای نیمه هادی بسیار کوچکند بعلاوه از آنجا که ناحیة فعال آنها خیلی نازک است (ضخامت حدود یک میکرون یا کمتر) در نتیجه واگرایی خروجی بطور قابل ملاحظه، از لیزرهای معمول بزرگتر است که این از مشکلات این لیزر محسوب می‎شود

3- مشخصات بینایی لیزرهای نیمه هادی شدیداً به خواص محیط پیوند (نظیر گاف نوار، و تغییرات ضریب شکست) بستگی دارد

4- در لیزرهای پیوندی p-nعمل لیزری بسادگی در اثر عبور جریان مستقیم از دیود صورت می‎گیرد و رویهم رفته سیستم کارایی زیادی دارد و مدولاسیون مدها به علت طول عمر کوتاه فوتون در محدودة فرکانس زیاد امکانپذیر می‎باشد که این مدولاسیون توسط جریان تزریقی انجام می‎شود

یکی از ویژگیهای ممتاز لیزر نیمه هادی، که باعث کاربرد آن در مخابرات شده است قابلیت کوپل شدن با سایر ابزارهای اپتیکی از جمله فیبرهای نوری است و دلیل آن کوچکی ابعاد و ساختارش می‎باشد نور تولید شده در لیزر نیمه هادی زمانی قابل استفاده در صنایع مخابرات است که بتوان آنرا در تارهای شیشه ای باریک (فیبرهای نوری به قطر حدوداً چند میکرون) انتقال داد

بطور کلی هدف این است که شخص بتواند با بررسی طیف خروجی، اطلاعاتی راجع به ساختار لیزر، میزان ناخالصی های بکار رفته، در ترکیبات نیمه هادی جریان آستانه و …بدست آورد تا با این طریق بتوان برای هر زمینة کاری لیزر و طول موج خاص را بکار برد

1-1- خواص باریکة لیزر:

نور لیزر به علت داشتن چهار ویژگی زیر دارای تمایز با نور معمولی است:

1- تکفامی 2- همدوسی 3- جهتمندی 4- درخشایی

1- تکفامی: تنها موج الکترومغناطیسی با فرکانس fکه از رابطة زیر بدست می‎آید تقویت می‎شود:

(چون آرایش دو آینه ای کاواک، تشدیدی ایجاد می‌کند که نوسان تنها در فرکانسهای تشدید این کاواک انجام می پذیرد)

2- همدوسی: برای هر موج الکترومغناطیسی دو مفهوم مستقل همدوسی می‎توان تعریف کرد:1- همدوسی زمانی 2- همدوسی فضایی

برای تعریف همدوسی فضایی دو نقطه P2 , P1را که در لحظه t = 0روی جبهة یک موج الکترومغناطیسی قرار دارند در نظر می گیریم و فرض می کنیم E2(t) , E1(t)میدانهای الکتریکی متناظر در آن دو نقطه باشد بنابر تعریف، اختلاف فاز دو میدان در لحظة صفر است اکنون، اگر این اختلاف در هر لحظه صفر باقی بماند می گوییم بین دو نقطه یک همدوسی کامل برقرار است (و چنانچه برای هر دو نقطة دلخواه جبهة موج الکترومغناطیسی چنین وضعیتی برقرار باشد می گوییم موج دارای همدوسی کامل فضایی است)

حال برای تعریف همدوسی زمانی، میدان الکتریکی موج الکترومغناطیسی را در دو لحظة در نقطه Pدر نظر می گیریم اگر در زمان تأخیر مفروض tاختلاف فاز دو میدان در هر لحظه tیکسان باقی بماند می گوییم در مدت زمان همدوسی زمانی وجود دارد اگر این اختلاف فاز برای هر مقدار t، یکسان باقی بماند گفته می‎شود که موج الکترومغناطیسی دارای همدوسی کامل زمانی است و اگر این امر برای مدت زمان تأخیر صورت گیرد بنحوی که گفته می‎شود موج دارای همدوسی پاره ای زمانی با زمان همدوسی است

3- جهتمندی: این خاصیت نتیجه مستقیم این امر است که مادة فعال لیزری به شکل زیر در داخل کاواک قرار داده شود در واقع فقط موجی که در امتداد کاواک منتشر می‎شود (یا در امتدادی که خیلی نزدیک به آن است) می‎توان در کاواک دوام بیاورد ابتدا به بررسی همدوس کامل فضایی می‎پردازیم: فرض می‎شود باریکه ای با شدت یکنواخت و جبهة موج تخت روی پرده sکه دارای یک گشودگی است فرود می‎آید طبق اصل هویگنس، جبهة موج در هر صفحه Pدر پشت پرده با برهم نهش موجهای جزئی که از هر نقطه گشودگی گسیل می‎شود بدست می‎آید به علت متناهی بودن اندازه گشودگی، D، باریکه دارای واگرایی محدود است مقدار واگرایی از نظریه پراش بدست می‎آید:

دانلود ارتباط بین طیف خروجی و کاواک در لیزر نیمه هادی