Lassen Sie uns die Quantenprozesse der Emission und Absorption von Photonen durch Atome charakterisieren. Photonen werden nur von angeregten Atomen emittiert. Durch die Emission eines Photons verliert das Atom Energie, und die Größe dieses Verlustes hängt von der Frequenz des Photons durch die Beziehung (3.12.7) ab. Wenn ein Atom aus irgendeinem Grund (z. B. durch eine Kollision mit einem anderen Atom) in einen angeregten Zustand übergeht, ist dieser Zustand instabil. Daher kehrt das Atom in einen Zustand niedrigerer Energie zurück, indem es ein Photon emittiert. Eine solche Strahlung heißt spontan oder spontan. Somit tritt spontane Emission ohne äußere Einwirkung auf und ist nur auf die Instabilität des angeregten Zustands zurückzuführen. Verschiedene Atome strahlen spontan unabhängig voneinander und erzeugen Photonen, die sich in verschiedene Richtungen ausbreiten. Außerdem kann ein Atom in verschiedene Zustände angeregt werden, emittiert also Photonen unterschiedlicher Frequenz. Daher sind diese Photonen inkohärent.

Befinden sich die Atome in einem Lichtfeld, so kann dieses sowohl Übergänge von einem niedrigeren zu einem höheren Niveau mit Absorption eines Photons als auch umgekehrt mit Emission eines Photons bewirken. Die Strahlung, die durch das Auftreffen einer äußeren elektromagnetischen Welle auf das Atom mit einer Resonanzfrequenz entsteht, für die Gleichung (3.12.7) erfüllt ist, wird als bezeichnet induziert oder gezwungen. Im Gegensatz zur spontanen Emission sind an jedem Akt der stimulierten Emission zwei Photonen beteiligt. Einer von ihnen breitet sich von einer Drittquelle aus und wirkt auf das Atom, und der andere wird durch diesen Effekt vom Atom emittiert. Ein charakteristisches Merkmal der stimulierten Emission ist die genaue Übereinstimmung des Zustands des emittierten Photons mit dem Zustand des externen. Beide Photonen haben die gleichen Wellenvektoren und Polarisationen, beide Photonen haben auch die gleichen Frequenzen und Phasen. Das bedeutet, dass die Photonen der stimulierten Emission immer kohärent mit den Photonen sind, die diese Emission verursacht haben. Atome im Lichtfeld können auch Photonen absorbieren, wodurch die Atome angeregt werden. Die resonante Absorption von Photonen durch Atome ist immer ein induzierter Prozess, der nur im Bereich äußerer Strahlung stattfindet. Bei jedem Absorptionsakt verschwindet ein Photon und das Atom geht in einen Zustand mit höherer Energie über.

Welche Prozesse bei der Wechselwirkung von Atomen mit Strahlung, Emission oder Absorption von Photonen vorherrschen, hängt von der Anzahl der Atome mit mehr oder weniger Energie ab.

Einstein wandte probabilistische Methoden an, um die Prozesse der spontanen und stimulierten Emission zu beschreiben. Basierend auf thermodynamischen Überlegungen bewies er, dass die Wahrscheinlichkeit von angeregten Übergängen mit Strahlung gleich der Wahrscheinlichkeit von angeregten Übergängen mit Lichtabsorption sein muss. Somit können erzwungene Übergänge mit gleicher Wahrscheinlichkeit sowohl in die eine als auch in die andere Richtung auftreten.

Betrachten wir nun viele identische Atome in einem Lichtfeld, das wir als isotrop und unpolarisiert annehmen. (Dann entfällt die Frage nach der Abhängigkeit der weiter unten eingeführten Koeffizienten von der Polarisation und Strahlungsrichtung.) Seien und die Anzahl der Atome in Zuständen mit Energien und , und diese Zustände können von jedem der zulässigen Zustände eingenommen werden, sondern . und heißt Bevölkerung von Energieniveaus. Die Anzahl der Atomübergänge von Zustand zu Zustand pro Zeiteinheit während der spontanen Emission ist proportional zur Anzahl der Atome im Zustand:

Die Anzahl der Atomübergänge zwischen denselben Zuständen während der stimulierten Emission ist ebenfalls proportional zur Population P - Ebene, sondern auch die spektrale Energiedichte der Strahlung, in deren Bereich sich die Atome befinden:

Die Anzahl der Übergänge von t - wow P - Stufe aufgrund der Wechselwirkung mit Strahlung

Die Größen heißen Einstein-Koeffizienten.

Das Gleichgewicht zwischen Materie und Strahlung wird erreicht, vorausgesetzt, die Anzahl der Atome, die pro Zeiteinheit den Übergang vom Zustand machen P in einen Staat t gleich der Anzahl der Atome, die den Übergang in die entgegengesetzte Richtung machen:

Wie bereits erwähnt, ist die Wahrscheinlichkeit von erzwungenen Übergängen in die eine und in die andere Richtung gleich. So .

Dann kann man aus (3.16.4) die Strahlungsenergiedichte finden

Die Gleichgewichtsverteilung von Atomen über Zustände mit unterschiedlichen Energien wird durch das Boltzmann-Gesetz bestimmt

Dann erhalten wir aus (3.16.5).

Was gut mit der Planckschen Formel (3.10.23) übereinstimmt. Diese Vereinbarung lässt auf das Vorliegen stimulierter Emission schließen.

Laser.

In den 50er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wurden Geräte geschaffen, bei denen elektromagnetische Wellen durch stimulierte Strahlung verstärkt werden. Zuerst wurden Generatoren geschaffen, die im Zentimeterwellenbereich arbeiteten, und wenig später wurde ein ähnliches Gerät geschaffen, das im optischen Bereich arbeitete. Benannt wurde es nach den Anfangsbuchstaben des englischen Namens Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission) - Laser. Laser werden auch genannt Optische Quantengeneratoren.

Damit die Strahlungsintensität während des Durchgangs von Materie zunimmt, ist es erforderlich, dass für jedes Paar atomarer Zustände, deren Übergänge mit der Emission und Absorption von Photonen erfolgen, die Bevölkerung des höheren Energiezustands war größer als die Bevölkerung des niedrigeren Energiezustands. Das bedeutet, dass das thermische Gleichgewicht gestört werden muss. Es wird gesagt, dass eine Substanz, in der der höhere Energiezustand von Atomen stärker besetzt ist als der niedrigere Energiezustand hat Besetzungsinversion.

Beim Durchgang durch Materie mit Besetzungsinversion zweier Atomzustände wird die Strahlung mit Photonen angereichert, die Übergänge zwischen diesen Atomzuständen bewirken. Als Ergebnis gibt es eine kohärente Verstärkung der Strahlung bei einer bestimmten Frequenz, wenn die induzierte Emission von Photonen ihre Absorption während der Übergänge von Atomen zwischen Zuständen mit Besetzungsinversion überwiegt. Eine Substanz mit Besetzungsinversion wird als aktives Medium bezeichnet.

Um einen Zustand mit Besetzungsinversion zu schaffen, muss Energie aufgewendet werden, um die Prozesse zu überwinden, die die Gleichgewichtsverteilung wiederherstellen. Diese Wirkung auf einen Stoff nennt man gepumpt. Die Pumpenergie kommt immer von einer externen Quelle zum aktiven Medium.

Es gibt verschiedene Pumpverfahren. Um die Level-Population-Inversion in Lasern zu erzeugen, wird am häufigsten die Drei-Level-Methode verwendet. Betrachten wir die Essenz dieser Methode am Beispiel des Rubinlasers.

Rubin ist ein Aluminiumoxid, bei dem einige der Aluminiumatome durch Chromatome ersetzt sind. Das Energiespektrum von Atomen (Ionen) von Chrom enthält drei Niveaus (Abb. 3.16.1) mit Energien , und . Die obere Ebene ist eigentlich ein ziemlich breites Band, das aus einer Reihe eng beabstandeter Ebenen besteht.

R

Das Hauptmerkmal des Drei-Ebenen-Systems ist, dass Ebene 2 unterhalb von Ebene 3 liegen muss metastabiles Niveau. Das bedeutet, dass der Übergang in einem solchen System durch die Gesetze der Quantenmechanik verboten ist. Dieses Verbot ist mit einem Verstoß gegen die Regeln zur Auswahl von Quantenzahlen für einen solchen Übergang verbunden. Die Auswahlregeln sind keine absoluten Nichtsprungregeln. Ihre Verletzung für einen Quantenübergang verringert jedoch erheblich seine Wahrscheinlichkeit. Einmal in einem solchen metastabilen Zustand verweilt das Atom darin. Gleichzeitig ist die Lebensdauer eines Atoms in einem metastabilen Zustand () hunderttausendmal länger als die Lebensdauer eines Atoms in einem gewöhnlichen angeregten Zustand (). Dadurch ist es möglich, angeregte Atome mit Energie anzureichern. Daher wird eine inverse Population der Ebenen 1 und 2 erstellt.

Das Verfahren läuft daher wie folgt ab. Unter Einwirkung von grünem Licht einer Blitzlampe gehen Chromionen vom Grundzustand in einen angeregten Zustand über. Der umgekehrte Übergang erfolgt in zwei Stufen. In der ersten Stufe geben die angeregten Ionen einen Teil ihrer Energie an das Kristallgitter ab und gehen in einen metastabilen Zustand über. Eine umgekehrte Population dieses Zustands wird erstellt. Erscheint nun ein Photon mit einer Wellenlänge von 694,3 nm in einem Rubin, der in einen solchen Zustand versetzt wurde (beispielsweise durch einen spontanen Übergang vom Niveau zu ), dann führt die induzierte Emission zur Vervielfachung von Photonen, exaktes Kopieren des Originals (kohärent). Dieser Vorgang hat lawinenartigen Charakter und führt dazu, dass in sehr großer Zahl nur solche Photonen erscheinen, die sich unter kleinen Winkeln zur Laserachse ausbreiten. Solche Photonen, die wiederholt von den Spiegeln des optischen Resonators des Lasers reflektiert werden, legen darin einen langen Weg zurück und treffen folglich sehr oft auf angeregte Chromionen, was deren induzierte Übergänge verursacht. Der Photonenfluss breitet sich dann aus schmaler Strahl,

Rubinlaser arbeiten in einem gepulsten Modus. 1961 wurde der erste Gaslaser auf Basis einer Mischung aus Helium und Neon entwickelt, der im kontinuierlichen Modus arbeitete. Dann wurden Halbleiterlaser entwickelt. Derzeit umfasst die Liste der Lasermaterialien viele Dutzend feste und gasförmige Substanzen.

Eigenschaften von Laserstrahlung.

Laserstrahlung hat Eigenschaften, die Strahlung aus herkömmlichen (Nicht-Laser-)Quellen nicht hat.

1. Laserstrahlung hat einen hohen Grad an Monochromatizität. Das Wellenlängenintervall einer solchen Strahlung beträgt ~ 0,01 nm.

2. Laserstrahlung zeichnet sich durch hohe zeitliche und räumliche Kohärenz aus. Die Kohärenzzeit einer solchen Strahlung erreicht Sekunden (die Kohärenzlänge liegt in der Größenordnung von m), was ungefähr mal länger ist als die Kohärenzzeit einer herkömmlichen Quelle. Die räumliche Kohärenz am Laseraustritt bleibt über den gesamten Strahlquerschnitt erhalten. Mit Hilfe eines Lasers ist es möglich, Licht zu erhalten, dessen Kohärenzvolumen um ein Vielfaches größer ist als das Kohärenzvolumen von Lichtwellen gleicher Intensität, die von den meisten monochromatischen Nicht-Laserquellen erhalten werden. Daher wird Laserstrahlung in der Holographie dort eingesetzt, wo Strahlung mit einem hohen Grad an Kohärenz benötigt wird.

Die Prozesse der Erzeugung und Rekombination von Ladungsträgern sind untrennbar miteinander verbunden, obwohl sie inhaltlich gegensätzlich sind. Energie bei der Rekombination kann entweder in Form eines Photons freigesetzt werden (strahlende Rekombination), oder in Form eines Phonons (strahlungslose Rekombination).

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Gerätetypen entwickelt, die elektrische Signale in Licht umwandeln. Das Funktionsprinzip basiert auf der sogenannten Rekombinationsstrahlung - der Strahlung von Lichtquanten während direkter Rekombinationsvorgänge von Elektron-Loch-Paaren.

Für eine intensive Rekombination ist es notwendig, gleichzeitig eine hohe Elektronendichte im Leitungsband und eine hohe Dichte an freien Niveaus (Löchern) im Valenzband zu haben.

Solche Bedingungen werden bei einer hohen Elektroneninjektion in einen Lochhalbleiter mit einer hohen Konzentration an Akzeptoren geschaffen.

Es ist klar, dass Damit eine strahlende Rekombination stattfinden kann, die direkten Übergängen entspricht, ist es erforderlich, dass der Halbleiter eine geeignete Bandstruktur aufweist: die Extrema des Valenzbandes und des Leitungsbandes müssen dem gleichen Wert des Wellenvektors entsprechen .

Derzeit wurden eine Reihe von Halbleiterverbindungen der Typen A III B V, A II B VI sowie andere binäre (SiC) und ternäre Systeme (wie GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe usw.) untersucht, auf denen p-n-Übergänge, die leichte Vibrationen abgeben, wenn sie in Vorwärtsrichtung eingeschaltet werden. Solche Halbleiterlichtquellen können für eine Vielzahl von Anwendungen sehr nützlich sein, wie beispielsweise Anzeigevorrichtungen.

Durch das Dotieren eines Halbleiters mit bestimmten Verunreinigungen ist es möglich, die Rekombinationsenergie und folglich die Wellenlänge des emittierten Lichts aufgrund des Verunreinigungsbandes zu ändern. Somit ergeben p-n-Übergänge auf GaP zwei Emissionsmaxima: 5650 und 7000 Å. P-n-Übergänge auf GaAsP liefern Lumineszenz im Bereich von 6000 bis 7000 Å. Lumineszenz im Wellenlängenbereich von 5600–6300 Å kann mit Siliziumkarbidübergängen erhalten werden. Der Betrieb im Strahlungsrekombinationsmodus erfolgt bei relativ hohen Stromdichten (mehrere hundert Ampere pro Quadratzentimeter) mit einer Quantenausbeute von etwa 0,5–1,5 %.

Bei höheren Stromdichten über 500 a / cm 2 und erreicht mehrere tausend a / cm2, ein qualitativ neues Phänomen tritt auf -

Bei äußeren Spannungen an der Verbindungsstelle, die sich der Kontaktpotentialdifferenz nähern (was sehr hohen Stromdichten entspricht), tritt Folgendes auf: namens Besetzungsinversion . Die Dichte der von Elektronen besetzten Niveaus im Leitungsband wird höher als die Dichte der von Elektronen besetzten Niveaus nahe der Spitze des Valenzbands.

Der Wert der Stromdichte, bei dem die Besetzungsinversion auftritt, wird genannt Schwellenstrom.

Bei Strömen unterhalb der Schwelle finden zufällige Rekombinationsvorgänge statt; sogenannt spontane Emission.

Bei Strömen oberhalb der Schwelle wird ein Lichtquant verursacht, der durch einen Halbleiter hindurchgeht stimulierte Emission - gleichzeitige Rekombination mehrerer Ladungsträger. In diesem Fall findet eine Verstärkung oder Erzeugung statt kohärent leichte Schwingungen, d. h. Schwingungen mit gleicher Phase.

Somit können bei Stromdichten, die den Schwellenwert überschreiten, einige Typen von Halbleiter-p-n-Übergängen Quellen sein Laser- Strahlung. Der Vorteil von Halbleiterlasern besteht darin, dass sie kein optisches Pumpen benötigen. Hier wird die Rolle des optischen Pumpens durch Injektionsströme übernommen, die eine inverse Besetzung erzeugen. Halbleiterlaser können Wirkungsgrade von über 50 % aufweisen und sind gegenüber anderen Lasertypen besonders vorteilhaft, wenn sie im Dauerbetrieb eingesetzt werden.

Das gebräuchlichste Material für Laser-pn-Übergänge ist Galliumarsenid. Unter Verwendung von p-n-Übergängen auf Galliumarsenid in einem kontinuierlichen Modus ist es möglich, Einheiten von Watt nahezu monochromatischer Strahlung mit einer Wellenlänge von 8400 Å bei Flüssigstickstofftemperatur zu erhalten. Bei Raumtemperatur steigt die Wellenlänge auf 9000 Å an.

Die inverse Besetzung in Halbleitern kann nicht nur durch Injektion, sondern auch durch andere Methoden erzeugt werden, beispielsweise durch Anregung von Elektronen mit einem Elektronenstrahl.

§ 6 Aufnahme.

Spontane und stimulierte Emission

Unter normalen Bedingungen (ohne äußere Einflüsse) befinden sich die meisten Elektronen in Atomen auf dem niedrigsten nicht angeregten Niveau E 1, d.h. ein Atom hat eine minimale Versorgung mit innerer Energie, die restlichen Ebenen E 2 , E 3 ....E n angeregten Zuständen entsprechen, eine minimale Elektronenbesetzung aufweisen oder überhaupt frei sind. Befindet sich das Atom im Grundzustand mit E 1 , dann unter Einwirkung äußerer Strahlung ein erzwungener Übergang in einen angeregten Zustand mit E 2. Die Wahrscheinlichkeit solcher Übergänge ist proportional zur Dichte der Strahlung, die diese Übergänge verursacht.

Ein Atom, das sich in einem angeregten Zustand 2 befindet, kann nach einiger Zeit spontan (ohne äußere Einflüsse) in einen Zustand mit niedrigerer Energie übergehen und überschüssige Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgeben, d.h. ein Photon aussendet.

Man nennt den Vorgang der Emission eines Photons durch ein angeregtes Atom ohne äußere Einflüsse spontane (spontane) Emission. Je größer die Wahrscheinlichkeit spontaner Übergänge ist, desto kürzer ist die durchschnittliche Lebensdauer eines Atoms in einem angeregten Zustand. weil spontane Übergänge sind also voneinander unabhängig spontane Emission ist nicht kohärent.

Wenn ein Atom im angeregten Zustand 2 externer Strahlung mit einer zufriedenstellenden Frequenz ausgesetzt wirdhn = E 2 - E 1 , dann erfolgt ein erzwungener (induzierter) Übergang in den Grundzustand 1 unter Emission eines Photons gleicher Energiehn = E 2 - E ein . Bei einem solchen Übergang tritt Strahlung durch ein Atom auf zusätzlich zu dem Photon, unter dem der Übergang stattfand. Strahlung, die durch äußere Einwirkung entsteht, wird genannt gezwungen. Also hinein Prozess stimulierte Emission zwei Photonen sind beteiligt: ​​ein primäres Photon, das die Emission von Strahlung durch das angeregte Atom verursacht, und ein sekundäres Photon, das von dem Atom emittiert wird. Sekundäre Photonen nicht zu unterscheiden von der Grundschule.

Einstein und Dirac bewiesen, dass stimulierte Emission identisch mit stimulierender Emission ist: Sie haben die gleiche Phase, Frequenz, Polarisation und Ausbreitungsrichtung.Þ Stimulierte Emission streng kohärent mit erzwungener Emission.

Die emittierten Photonen, die sich in eine Richtung bewegen und auf andere angeregte Atome treffen, regen weitere induzierte Übergänge an, und die Anzahl der Photonen wächst wie eine Lawine. Zusammen mit der stimulierten Emission tritt jedoch eine Absorption auf. Um die einfallende Strahlung zu verstärken, ist es daher erforderlich, dass die Anzahl der Photonen in stimulierten Emissionen (die proportional zur Population der angeregten Zustände ist) die Anzahl der absorbierten Photonen übersteigt. In dem System befinden sich Atome im thermodynamischen Gleichgewicht, die Absorption überwiegt die stimulierte Emission, d.h. Einfallende Strahlung wird beim Durchgang durch Materie gedämpft.

Damit das Medium die darauf einfallende Strahlung verstärken kann, muss es geschaffen werden Nichtgleichgewichtszustand des Systems, bei der die Anzahl der Atome im angeregten Zustand größer ist als im Grundzustand. Solche Zustände werden genannt Staaten mit Besetzungsinversion. Der Prozess der Schaffung eines Nichtgleichgewichtszustands der Materie wird als bezeichnet gepumpt. Das Pumpen kann durch optische, elektrische und andere Verfahren erfolgen.

In Medien mit umgekehrter Besetzung kann die stimulierte Emission die Absorption übersteigen, d. h. die einfallende Strahlung wird beim Durchgang durch das Medium verstärkt (diese Medien werden als aktiv bezeichnet). Für diese Medien im Bouguerschen Gesetzich = ich 0e- ax , Absorptionskoeffizient Ein Negativ.

§ 7. Laser - optische Quantengeneratoren

In den frühen 60er Jahren wurde ein Quantengenerator des optischen Bereichs geschaffen - ein Laser „ Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung ” - Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission. Eigenschaften von Laserstrahlung: hohe Monochromatizität (extrem hohe Lichtfrequenz), scharfe räumliche Orientierung, enorme spektrale Helligkeit.

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik ist die Energie eines Elektrons in einem Atom nicht beliebig: Sie kann nur einen bestimmten (diskreten) Wertebereich E 1, E 2, E 3 ... E haben n namens Energieniveaus. Diese Werte sind für verschiedene Atome unterschiedlich. Der Satz der zulässigen Energiewerte wird aufgerufen Energiespektrum Atom. Unter normalen Bedingungen (ohne äußere Einflüsse) befinden sich die meisten Elektronen in Atomen auf dem niedrigsten angeregten Niveau E 1, d.h. ein Atom hat eine minimale Versorgung mit innerer Energie; andere Ebenen E 2 , E 3 ..... E n entsprechen der höheren Energie des Atoms und werden genannt erregt.

Beim Übergang eines Elektrons von einem Energieniveau in ein anderes kann ein Atom elektromagnetische Wellen aussenden oder absorbieren, deren Frequenz n m n \u003d (E m - E n) h,

wo h - Plancksche Konstante ( h = 6,62 · 10 -34 Js);

E n - Finale, E m - Erste Ebene.

Ein angeregtes Atom kann auf zwei verschiedene Arten einen Teil seiner überschüssigen Energie abgeben, die es von einer externen Quelle erhalten oder von ihm als Ergebnis der thermischen Bewegung von Elektronen erworben hat.

Jeder angeregte Zustand eines Atoms ist instabil, und es besteht immer die Möglichkeit seines spontanen Übergangs in einen niedrigeren Energiezustand unter Emission eines Quants elektromagnetischer Strahlung. Ein solcher Übergang wird aufgerufen spontan(spontan). Es ist unregelmäßig und chaotisch. Alle gewöhnlichen Quellen erzeugen Licht durch spontane Emission.

Dies ist der erste Emissionsmechanismus (elektromagnetische Strahlung). Im rezensierten zweistufiges Schema Durch die Emission von Licht kann keine Verstärkung der Strahlung erreicht werden. Absorbierte Energie h n als Quant mit gleicher Energie freigesetzt h n und man kann darüber reden Thermodynamisches Gleichgewicht: Die Anregungsprozesse von Atomen in einem Gas werden immer durch die umgekehrten Emissionsprozesse ausgeglichen.

§2 Dreistufiges System

In den Atomen einer Substanz im thermodynamischen Gleichgewicht enthält jedes nachfolgende angeregte Niveau weniger Elektronen als das vorherige. Wirken wir auf das System mit anregender Strahlung ein, deren Frequenz beim Übergang zwischen den Ebenen 1 und 3 (schematisch 1→ 3), dann absorbieren die Atome diese Strahlung und gehen von Ebene 1 zu Ebene 3 über. Wenn die Strahlungsintensität ausreichend hoch ist, kann die Anzahl der Atome, die zu Ebene 3 übergegangen sind, ziemlich groß sein, und wir haben das Gleichgewicht verletzt Verteilung der Level-Populationen, erhöht die Population von Level 3 und verringert daher die Population von Level 1.

Ab der oberen Drittelsebene sind Übergänge möglich 3→ 1 und 3 → 2. Es stellte sich heraus, dass Übergang 3→ 1 führt zur Emission von Energie E 3 -E 1 = h n 3-1 und Übergang 3 → 2 ist nicht strahlend: es führt zur Besetzung der Zwischenstufe 2 „von oben“ (ein Teil der Elektronenenergie wird bei diesem Übergang an die Substanz abgegeben und erwärmt diese). Diese zweite Ebene wird aufgerufen metastabil, und als Ergebnis befinden sich darauf mehr Atome als auf dem ersten. Da Atome von der Grundebene 1 durch den oberen Zustand 3 auf der Ebene 2 ankommen und mit einer „großen Verzögerung“ zur Bodenebene zurückkehren, ist die Ebene 1 „erschöpft“.

Als Ergebnis gibt es Umkehrung, jene. inverse inverse Verteilung von Levelpopulationen. Die Besetzungsinversion der Energieniveaus wird durch eine so genannte intensive Hilfsstrahlung erzeugt Pumpstrahlung und führt letztlich zu induziert(erzwungene) Multiplikation von Photonen in einem inversen Medium.

Wie bei jedem Generator ist es bei einem Laser erforderlich, den Erzeugungsmodus zu erhalten Rückkopplung. Bei einem Laser wird die Rückkopplung mit Spiegeln implementiert. Das verstärkende (aktive) Medium wird zwischen zwei Spiegeln platziert - flach oder häufiger konkav. Ein Spiegel ist massiv ausgeführt, der andere teilweise transparent.

Der „Keim“ für den Erzeugungsprozess ist die spontane Emission eines Photons. Als Ergebnis der Bewegung dieses Photons im Medium erzeugt es eine Lawine von Photonen, die in die gleiche Richtung fliegen. Nach Erreichen eines durchscheinenden Spiegels wird die Lawine teilweise reflektiert und teilweise durch den Spiegel nach außen geleitet. Nach der Reflexion am rechten Spiegel geht die Welle zurück und wird immer stärker. Die Distanz gehenl, erreicht es den linken Spiegel, wird reflektiert und eilt wieder zum rechten Spiegel.

Solche Bedingungen werden nur für axiale Wellen geschaffen. Quanten anderer Richtungen können keinen nennenswerten Teil der im aktiven Medium gespeicherten Energie aufnehmen.

Die aus dem Laser austretende Welle hat eine nahezu flache Front und eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz über den gesamten Strahlquerschnitt.

In Lasern werden verschiedene Gase und Gasgemische als aktives Medium verwendet ( Gaslaser), Kristalle und Gläser mit Verunreinigungen bestimmter Ionen ( Festkörperlaser), Halbleiter ( Halbleiterlaser).

Die Anregungsmethoden (im Pumpsystem) hängen von der Art des aktiven Mediums ab. Hierbei handelt es sich entweder um eine Methode zur Übertragung von Anregungsenergie durch Kollision von Teilchen in einem Gasentladungsplasma (Gaslaser) oder um eine Energieübertragung durch Bestrahlung aktiver Zentren mit inkohärentem Licht aus speziellen Quellen (optisches Pumpen bei Festkörperlasern). oder Injektion von Nichtgleichgewichtsträgern durch p- n - Übergang, entweder Anregung durch einen Elektronenstrahl oder optisches Pumpen (Halbleiterlaser).

Derzeit gibt es eine extrem große Anzahl verschiedener Laser, die Strahlung in einem breiten Wellenlängenbereich (200¸ 2 10 4 nm). Laser arbeiten mit sehr kurzen Lichtpulsen. t " 1·10 -12 s kann auch kontinuierliche Strahlung ergeben. Die Energieflussdichte der Laserstrahlung beträgt etwa 10 10 W/cm 2 (die Intensität der Sonne beträgt nur 7·10 3 W/cm 2 ).

Laser ist ein Gerät, das kohärente elektromagnetische Wellen durch stimulierte Emission von Mikropartikeln des Mediums erzeugt, in dem ein hoher Anregungsgrad eines der Energieniveaus erzeugt wird.

LASER. - aus dem Englischen. Lichtverstärkung durch stimulierte Emission.

Ein optischer Quantengenerator wandelt die Pumpenergie in die Energie einer kohärenten monochromatisch polarisierten schmalen Richtung um. Einstein führte das Konzept der stimulierten Emission ein. 1939 kam der russische Wissenschaftler Fabrikant zu dem Schluss, dass es möglich ist, Licht beim Durchgang durch Materie zu verstärken.

Arbeitsbedingungen. Prinzip.

• - stimulierte Emission. Wenn ein Photon mit einem angeregten Molekül interagiert, wird Licht verstärkt. Die Zahl der erzwungenen Übergänge hängt von der Zahl der pro Sekunde einfallenden Photonen und der Zahl der angeregten Elektronen ab.
• - inverse Besetzung von Energieniveaus - ein Zustand, in dem mehr Teilchen auf einem höheren Energieniveau vorhanden sind als auf einem niedrigeren. Ein aktives Medium ist ein Medium, das in einen Zustand inverser Besetzung gebracht wird. Es ist möglich, einen IN nur durch Entfernen des TD aus dem Gleichgewichtszustand zu erzeugen (Pumpmethoden)
• 1) Optisches Pumpen von transparenten aktiven Medien verwendet Lichtimpulse von einer externen Quelle.
• 2) Entladungspumpen gasförmiger Wirkmedien verwenden eine elektrische Ladung.
• 3) Injektionspumpen von halbleiteraktiven Medien verwendet el. aktuell.
• 4) Das chemische Pumpen des aktiven Mediums aus einem Gasgemisch nutzt die Energie der Chemikalie. Reaktionen zwischen den Komponenten der Mischung.

Lasergerät:

• 1) Arbeitsflüssigkeit - eine Umgebung, die durch einen äußeren Einfluss in einen aktiven Zustand versetzt wird
• 2) Pumpsystem - eine Vorrichtung, um das Arbeitsfluid in einen aktiven Zustand zu versetzen
• 3) optischer Resonator - zwei einander zugewandte flache Spiegel. Durch Mehrfachreflexionen kommt es zu einer lawinenartigen Emission von Photonen. Wenn die Intensität einen bestimmten Wert erreicht, beginnt die Erzeugung von Laserstrahlung.

Eigenschaften der Laserstrahlung:

• 1) hohe Monochromatizität
• 2) Kohärenz - die Konstanz der Phasendifferenz von Photonen
• 3) hohe Intensität bis zu 1014-1016 W/kV.cm.
• 4) Kollimation
• 5) Polarisation - LI nur in einer Ebene.
• 6) hohe Leistung bis zu 10 (bei 5 st) Watt.

Rubinlaser.

Das Arbeitsmedium ist Al-Oxid + 0,05 % Chromoxid, das Pumpsystem ist optisch, Wellenlänge = 694,3 nm. Al hat 2 Energieniveaus (Masse und angeregt). T \u003d 10 (in -8 st) s. Chrom hat 3 Energieniveaus (basisch, angeregt, mittel), T = 10 (bei -3.) s. Al überträgt seine Energie auf Chromatome und hilft, angeregt zu werden. Chrom ist ein aktives Medium.

Helium-Neon-Laser.

Das Arbeitsmedium ist eine Mischung aus Helium- und Neongasen im Verhältnis 10: 1. Druck 150 Pa. Atome von Neon - emittierend, Helium - Hilfsstoff. Pumpsystem - el. Entladung. Wellenlänge = 632,8 nm.

Durch die Absorption eines Photons bewegt sich ein Atom von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres. Beim spontanen Übergang auf ein niedrigeres Niveau sendet ein Atom ein Photon aus. Für Atome eines bestimmten chemischen Elements sind nur sehr spezifische Übergänge zwischen Energieniveaus erlaubt. Dadurch absorbieren Atome nur solche Photonen, deren Energie genau der Energie des Übergangs eines Atoms von einem Energieniveau in ein anderes entspricht. Visuell manifestiert sich dies in der Existenz von individuellen Absorptionsspektren für jedes chemische Element, die einen bestimmten Satz von Farbbändern enthalten.

Auch das von einem Atom beim Übergang auf ein niedrigeres Energieniveau emittierte Photon hat eine ganz bestimmte Energie, die der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus entspricht. Aus diesem Grund können Atome nur Lichtwellen bestimmter Frequenzen aussenden. Dieser Effekt zeigt sich deutlich beim Betrieb von Leuchtstofflampen, die häufig in der Straßenwerbung eingesetzt werden. Der Hohlraum einer solchen Lampe ist mit einer Art Inertgas gefüllt, dessen Atome durch ultraviolette Strahlung angeregt werden, die auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch eine spezielle Schicht geleitet wird, die die Innenfläche der Lampenhülle bedeckt. Gasatome kehren in den Grundzustand zurück und leuchten in einer bestimmten Farbe. So leuchtet beispielsweise Neon rot und Argon grün.

Spontane (spontane) Übergänge von Atomen von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres sind zufällig. Die dabei erzeugte Strahlung hat nicht die Eigenschaften von Laserstrahlung: Parallelität der Lichtstrahlen, Kohärenz (Konsistenz von Amplituden und Phasen von Schwingungen in Zeit und Raum), Monochrom (strenge Monochromie). Bereits 1917 sagte Albert Einstein jedoch die Existenz induzierter Übergänge zusammen mit spontanen Übergängen zu einem niedrigeren Energieniveau voraus. Anschließend wurde diese Möglichkeit im Design von Lasern realisiert. Die Essenz dieses Phänomens besteht darin, dass ein Photon eines Lichtflusses, das auf seinem Weg auf ein angeregtes Atom trifft, ein Photon mit genau denselben Eigenschaften aus ihm herausschlägt.

Dadurch verdoppelt sich die Anzahl identischer Photonen. Das neu gebildete Photon wiederum ist in der Lage, ein weiteres Photon zu erzeugen, indem es aus einem anderen angeregten Atom herausgeschlagen wird. So wächst die Anzahl identischer Photonen wie eine Lawine. Die dabei erzeugte Strahlung zeichnet sich durch einen hohen Grad an Parallelität der Strahlen des Lichtstroms, Kohärenz und Monochrom aus, da sie nur solche Photonen enthält, die die gleiche Energie und Bewegungsrichtung haben.