В ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах

Современная оптоэлектроника использует в качестве источников излучения полупроводниковые, твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ). Излучателями света в ОКГ являются либо возбужденные валентные электроны атомов (газовые ОКГ), либо электроны проводимости (полупроводниковые ОКГ). В первом случае, переход валентного электрона из возбужденного состояния в невозбужденное сопровождается излучением фотона с энергией

, (2.24)

где h – постоянная Планка;

n – частота соответствующей фотону микроволны.

Во втором случае, излучение фотона происходит в процессе рекомбинации электрона проводимости с дыркой, расположенной в валентной зоне. В обоих случаях время перехода электрона из возбужденного состояния в невозбужденное конечно и составляет величину t_п» 10^-8 с. Время излучения фотона в процессе указанного перехода много меньше, чем t_п и составляет величину t_Ф = 10^-15 с, для l = 1,5 мкм. Условное соотношение между t_п и t_Ф показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Поле фотона

 

За время t_п излучается множество фотонов N_Ф, которое определяется количеством возбужденных электронов в газе или твердом теле. Всегда найдутся фотоны, имеющие одинаковую частоту n, с которой изменяется их поле . Последовательность таких фотонов образует волновой цуг, показанный на рис. 2.9.

Нетрудно видеть, что согласно рис. 2.9, время самовоспроизведения фотона t_Ф одного порядка с периодом T возникшей электромагнитной волны.

Рис. 2.9. Волновой цуг

 

Любой ОКГ за время t_к (в соответствии с рис. 2.9) излучает не единственный цуг, а множество цугов с незначительно отличающимися частотами. Накладываясь во времени и пространстве, цуги образуют волновой пакет. Внутри волнового пакета цуги интерферируют. В результате интерференции возникают биения векторов , как результат сложения колебаний с близкими частотами. Заметим, что волновой цуг распространяется с фазовой скоростью,

, (2.25)

где n – абсолютный показатель преломления в среде распространения волны;

c» 3 × 10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Волновой пакет распространяется с групповой скоростью

, (2.26)

где – дисперсия фазовой скорости.

Реальное оптическое излучение, генерируемое ОКГ, представляет собой поток волновых пакетов отличающийся от идеальной МЭВ, определенной выше.

Введем понятие когерентности оптического излучения как меры приближения реального излучения к идеальной МЭВ.

Различают временную когерентность и пространственную.

Основной характеристикой временной когерентности является время когерентности t_к. К характеристикам пространственной когерентности относятся: длина когерентности l _К, «радиус» когерентности r_к и объем когерентности V_К.

Понятие когерентности не следует путать с понятием когерентных волн.

По определению, две волны называются когерентными, если они имеют одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз. Из выше сказанного, очевидно, что для реального оптического излучения понятие когерентных волн является идеализированной моделью.

Время когерентности

Временем когерентности t_к называется промежуток времени, в течение которого закон изменения фазы электромагнитной волны остается постоянным (в соответствии с рис. 2.9).

Согласно рис. 2.9,

, (2.27)

где N_Ф – число фотонов, входящих в волновой цуг.

Длина когерентности

Длиной когерентности l _К называется расстояние, которое проходит волна за время когерентности t _к. По определению, .

Радиус» когерентности

«Радиусом» когерентности называется диаметр круга, в пределах которого разброс направлений волнового вектора электромагнитной волны не превышает p радиан.

Объем когерентности

Объемом когерентности V_К называется произведение площади круга диаметра r_к на длину когерентности l _К. По определению, .

2.6.8 Взаимосвязь t_К и l _К с реальными параметрами оптического

Излучения

Элементарные преобразования позволяют установить взаимосвязь t_К и l _К с шириной полосы частот волнового пакета Dn, разбросом длин волн Dl и разбросом модулей волновых векторов DК в следующем виде

, (2.28)

, (2.29)

, (2.30)

где l - понимается как среднее значение длины волны в волновом пакете.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: