Luonnehditaan fotonien emission ja absorption kvanttiprosesseja atomien kautta. Fotoneja emittoivat vain viritetyt atomit. Säteilemällä fotonin atomi menettää energiaa ja tämän häviön suuruus on suhteessa fotonin taajuuteen suhteella (3.12.7). Jos atomi jostain syystä (esimerkiksi törmäyksen vuoksi toisen atomin kanssa) menee virittyneeseen tilaan, tämä tila on epävakaa. Siksi atomi palaa alhaisemman energian tilaan lähettämällä fotonin. Tällaista säteilyä kutsutaan spontaani tai spontaani. Siten spontaani emissio tapahtuu ilman ulkoista toimintaa ja johtuu vain virittyneen tilan epävakaudesta. Eri atomit säteilevät spontaanisti toisistaan ​​riippumatta ja synnyttävät fotoneja, jotka etenevät eri suuntiin. Lisäksi atomi voi virittyä eri tiloihin, jolloin se emittoi eritaajuisia fotoneja. Siksi nämä fotonit ovat epäkoherentteja.

Jos atomit ovat valokentässä, niin jälkimmäinen voi aiheuttaa siirtymiä sekä alemmalta tasolta korkeammalle, johon liittyy fotonin absorptio, että päinvastoin fotonin emission kanssa. Säteilyä, joka aiheutuu resonanssitaajuisen ulkoisen sähkömagneettisen aallon iskusta atomiin, jolle yhtälö (3.12.7) täyttyy, on ns. aiheutettu tai pakko. Toisin kuin spontaani emissio, kaksi fotonia osallistuu jokaiseen stimuloituun emissiotapahtumaan. Toinen niistä leviää kolmannen osapuolen lähteestä ja vaikuttaa atomiin, ja toinen lähtee atomista tämän vaikutuksen seurauksena. Stimuloidulle emissiolle ominaista piirre on emittoidun fotonin tilan tarkka yhteensopivuus ulkoisen fotonin tilan kanssa. Molemmilla fotoneilla on samat aaltovektorit ja polarisaatiot, molemmilla fotoneilla on myös samat taajuudet ja vaiheet. Tämä tarkoittaa, että stimuloidun emission fotonit ovat aina koherentteja niiden fotonien kanssa, jotka aiheuttivat tämän emission. Valokentän atomit voivat myös absorboida fotoneja, minkä seurauksena atomit virittyvät. Fotonien resonanssiabsorptio atomien toimesta on aina indusoitunut prosessi, joka tapahtuu vain ulkoisen säteilyn alueella. Jokaisessa absorptiotapahtumassa yksi fotoni katoaa ja atomi siirtyy tilaan, jossa on korkeampi energia.

Mitkä prosessit vallitsevat atomien vuorovaikutuksessa säteilyn kanssa, emissiossa tai fotonien absorptiossa, riippuvat suuremman tai pienemmän energian omaavien atomien lukumäärästä.

Einstein käytti probabilistisia menetelmiä kuvaamaan spontaanin ja stimuloidun emission prosesseja. Termodynaamisten näkökohtien perusteella hän osoitti, että säteilyn mukana tulevien stimuloitujen siirtymien todennäköisyyden on oltava yhtä suuri kuin valon absorption aiheuttamien stimuloitujen siirtymien todennäköisyys. Siten pakkosiirtymiä voi tapahtua yhtä todennäköisyydellä sekä yhteen että toiseen suuntaan.

Tarkastellaan nyt monia identtisiä atomeja valokentässä, joiden oletetaan olevan isotrooppisia ja polarisoimattomia. (Sitten kysymys alla esiteltyjen kertoimien riippuvuudesta säteilyn polarisaatiosta ja suunnasta katoaa.) Olkoon ja atomien lukumäärät tiloissa, joiden energiat ja , ja nämä tilat voidaan ottaa millä tahansa sallituista tiloista, mutta . ja kutsutaan energiatasojen väestö. Atomien siirtymien määrä tilasta tilaan aikayksikköä kohden spontaanin emission aikana on verrannollinen tilassa olevien atomien lukumäärään:

Myös atomien siirtymien määrä samojen tilojen välillä stimuloidun emission aikana on suhteessa väestöön P - tasoa, mutta myös sen säteilyn spektrienergiatiheyttä, jonka kentässä atomit ovat:

Siirtymien määrä kohteesta t - vau päällä P - tason vuorovaikutuksen vuoksi säteilyn kanssa

Suureita kutsutaan Einstein-kertoimiksi.

Aineen ja säteilyn välinen tasapaino saavutetaan edellyttäen, että tilasta siirtyvien atomien määrä aikayksikköä kohti P tilaan t on yhtä suuri kuin vastakkaiseen suuntaan siirtyvien atomien lukumäärä:

Kuten jo mainittiin, pakkosiirtojen todennäköisyys yhteen ja toiseen suuntaan on sama. Siksi .

Sitten kohdasta (3.16.4) voidaan löytää säteilyenergiatiheys

Atomien tasapainojakauma eri energioiden tiloihin määräytyy Boltzmannin lain mukaan

Sitten (3.16.5) saamme

Mikä on hyvin sopusoinnussa Planckin kaavan (3.10.23) kanssa. Tämä sopimus johtaa johtopäätökseen stimuloidun päästön olemassaolosta.

Laserit.

1900-luvun 50-luvulla luotiin laitteita, joiden läpi kulkiessaan sähkömagneettiset aallot vahvistuvat stimuloidun säteilyn vuoksi. Ensin luotiin generaattoreita, jotka toimivat senttimetriaaltoalueella, ja vähän myöhemmin luotiin samanlainen laite, joka toimi optisella alueella. Se nimettiin englanninkielisen nimen Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (valon vahvistus stimuloidulla emissiolla) ensimmäisten kirjainten mukaan - laser. Lasereja kutsutaan myös optiset kvanttigeneraattorit.

Jotta säteilyn intensiteetti kasvaisi aineen kulun aikana, on välttämätöntä, että jokaiselle atomitilaparille, joiden väliset siirtymät tapahtuvat fotonien emission ja absorption yhteydessä, korkeamman energiatilan väkiluku oli suurempi kuin alemman energiatilan väestö. Tämä tarkoittaa, että lämpötasapaino on häiriintynyt. Sanotaan, että aine, jossa atomien korkeampi energiatila on enemmän asutettu kuin alhaisempi energiatila väestön inversio.

Kulkiessaan aineen läpi kahden atomitilan populaatioinversiolla säteily rikastuu fotoneilla, jotka aiheuttavat siirtymiä näiden atomitilojen välillä. Seurauksena on koherentti säteilyn vahvistuminen tietyllä taajuudella, kun fotonien indusoitu emissio ylittää niiden absorption atomien siirtymissä tilojen välillä populaatioinversiolla. Ainetta, jolla on populaatioinversio, kutsutaan aktiiviseksi väliaineeksi.

Väestön käänteisen tilan luomiseksi on tarpeen kuluttaa energiaa ja käyttää sitä tasapainojakauman palauttavien prosessien voittamiseen. Tätä vaikutusta aineeseen kutsutaan pumpataan. Pumpun energia tulee aina ulkoisesta lähteestä aktiiviseen väliaineeseen.

Pumppausmenetelmiä on erilaisia. Tasopopulaatioinversion luomiseksi lasereissa käytetään useimmiten kolmitason menetelmää. Tarkastellaan tämän menetelmän ydintä käyttämällä esimerkkinä rubiinilaseria.

Rubiini on alumiinioksidi, jossa osa alumiiniatomeista on korvattu kromiatomeilla. Kromin atomien (ionien) energiaspektri sisältää kolme tasoa (kuva 3.16.1), joiden energiat , ja . Ylempi taso on itse asiassa melko leveä nauha, jonka muodostaa joukko lähekkäin olevia tasoja.

R

Kolmitasoisen järjestelmän pääominaisuus on, että tason 2, tason 3 alapuolella, on oltava metastabiili taso. Tämä tarkoittaa, että siirtyminen tällaisessa järjestelmässä on kvanttimekaniikan lakien mukaan kielletty. Tämä kielto liittyy kvanttilukujen valintaa koskevien sääntöjen rikkomiseen tällaiseen siirtymiseen. Valintasäännöt eivät ole ehdottomia ei-hyppysääntöjä. Niiden rikkominen jossain kvanttisiirtymässä vähentää kuitenkin merkittävästi sen todennäköisyyttä. Kun atomi on sellaisessa metastabiilissa tilassa, se viipyy siinä. Samaan aikaan atomin elinikä metastabiilissa tilassa () on satoja tuhansia kertoja pidempi kuin atomin elinikä tavallisessa viritetyssä tilassa (). Tämä mahdollistaa virittyneiden atomien keräämisen energialla. Siksi luodaan tasojen 1 ja 2 käänteinen populaatio.

Prosessi etenee siis seuraavasti. Salamalampun vihreän valon vaikutuksesta kromi-ionit siirtyvät perustilasta virittyneeseen tilaan. Käänteinen siirtyminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa virittyneet ionit luovuttavat osan energiastaan ​​kidehilalle ja siirtyvät metastabiiliin tilaan. Tämän tilan käänteispopulaatio luodaan. Jos nyt fotoni, jonka aallonpituus on 694,3 nm, ilmaantuu rubiiniin, joka on saatettu sellaiseen tilaan (esimerkiksi spontaanin siirtymisen seurauksena tasolta tasolle), niin indusoitu emissio johtaa lisääntymiseen fotoneista, täsmälleen alkuperäisen kopiointi (yhtenäinen). Tällä prosessilla on lumivyörymäinen luonne ja se johtaa erittäin suuren määrän vain niitä fotoneja, jotka etenevät pienissä kulmissa laserakseliin nähden. Tällaiset fotonit, jotka heijastuvat toistuvasti laserin optisen resonaattorin peileistä, kulkevat siinä pitkän matkan ja näin ollen kohtaavat hyvin monta kertaa virittyneitä kromi-ioneja aiheuttaen niiden indusoituja siirtymiä. Sitten fotonivirta etenee kapea säde,

Rubiinilaserit toimivat pulssitilassa. Vuonna 1961 luotiin ensimmäinen kaasulaser, joka perustui heliumin ja neonin seokseen ja joka toimi jatkuvassa tilassa. Sitten luotiin puolijohdelaserit. Tällä hetkellä lasermateriaalien luettelo sisältää useita kymmeniä kiinteitä ja kaasumaisia ​​aineita.

Lasersäteilyn ominaisuudet.

Lasersäteilyllä on ominaisuuksia, joita tavanomaisista (ei-laser)lähteistä tulevalla säteilyllä ei ole.

1. Lasersäteilyllä on korkea yksivärisyysaste. Tällaisen säteilyn aallonpituusväli on ~ 0,01 nm.

2. Lasersäteilylle on ominaista korkea ajallinen ja spatiaalinen koherenssi. Tällaisen säteilyn koherenssiaika on sekuntia (koherenssipituus on luokkaa m), mikä on noin kertaa pidempi kuin tavanomaisen lähteen koherenssiaika. Spatiaalinen koherenssi laserin ulostulossa säilyy koko säteen poikkileikkauksella. Laserin avulla on mahdollista saada valoa, jonka koherenssitilavuus on useita kertoja suurempi kuin monokromaattisimmista ei-laserlähteistä saatujen saman intensiteetin valoaaltojen koherenssitilavuus. Siksi lasersäteilyä käytetään holografiassa, jossa tarvitaan korkean koherenssitason säteilyä.

Varauksenkuljettajien muodostumis- ja rekombinaatioprosessit ovat erottamattomia toisistaan, vaikka ne ovatkin sisällöltään vastakkaisia. Rekombinaation aikana energiaa voi vapautua joko fotonin muodossa (säteilyrekombinaatio), tai fononin muodossa (ei-säteilytysrekombinaatio).

Viime vuosina on kehitetty monenlaisia ​​laitteita, jotka muuntavat sähköiset signaalit valoksi. Niiden toimintaperiaate perustuu ns. rekombinaatiosäteilyyn - valokvanttien säteilyyn elektroni-reikäparien suorien rekombinaatiotoimien aikana.

Voimakkaalle rekombinaatiolle on välttämätöntä, että johtavuuskaistalla on samanaikaisesti suuri elektronitiheys ja valenssikaistan vapaiden tasojen (aukkojen) suuri tiheys.

Tällaiset olosuhteet luodaan korkealla elektronin injektiolla reikäpuolijohteeseen, jossa on korkea akseptoripitoisuus.

Se on selvää Jotta suoria siirtymiä vastaava säteilyrekombinaatio tapahtuisi, puolijohteella on oltava asianmukainen kaistarakenne: valenssikaistan ja johtavuuskaistan ääripisteiden tulee vastata samaa aaltovektorin arvoa .

Tällä hetkellä on tutkittu useita A III B V, A II B VI tyyppisiä puolijohdeyhdisteitä sekä muita binäärisysteemejä (SiC) ja ternäärisiä järjestelmiä (kuten GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe jne.), joilla on p-n-liitokset, jotka lähettävät valoa tärinää, kun ne kytketään eteenpäin. Tällaiset puolijohdevalolähteet voivat olla erittäin hyödyllisiä monissa sovelluksissa, kuten osoitinlaitteissa.

Seottamalla puolijohde tietyillä epäpuhtauksilla on mahdollista muuttaa rekombinaatioenergiaa ja sitä kautta emittoidun valon aallonpituutta epäpuhtauskaistan takia. Siten GaP:n p-n-liitokset antavat kaksi emissiomaksimia: 5650 ja 7000 Å. GaAsP:n P-n-liitokset tarjoavat luminesenssin alueella 6000 - 7000 Å. Piikarbidiliitoksilla saadaan aikaan luminesenssi aallonpituusalueella 5600-6300 Å. Toiminta säteilevässä rekombinaatiotilassa tapahtuu suhteellisen korkeilla virrantiheyksillä (useita satoja ampeeria neliösenttimetriä kohti) noin 0,5-1,5 %:n kvanttituoton ollessa.

Suuremmilla virrantiheyksillä yli 500 a / cm2 ja saavuttaa useita tuhansia a / cm2, ilmestyy laadullisesti uusi ilmiö -

Kun ulkoiset jännitteet liitoksessa lähestyvät kosketuspotentiaalieroa (joka vastaa erittäin suuria virrantiheyksiä), tapahtuu seuraavaa: nimeltään väestön inversio . Elektronien johtamien tasojen tiheydestä johtavuuskaistalla tulee korkeampi kuin valenssikaistan yläosan lähellä olevien elektronien miehittämien tasojen tiheys.

Kutsutaan sen virrantiheyden arvoa, jolla populaatioinversio tapahtuu kynnysvirta.

Kynnyksen alapuolella olevilla virroilla tapahtuu satunnaisia ​​rekombinaatioita; niin sanottu spontaani emissio.

Kynnyksen ylittävillä virroilla puolijohteen läpi kulkeva valokvantti aiheuttaa stimuloitu emissio - useiden varauksenkuljettajien samanaikainen rekombinaatio. Tässä tapauksessa tapahtuu vahvistusta tai generointia johdonmukainen valovärähtelyjä, eli värähtelyjä, joilla on sama vaihe.

Siten kynnysarvon ylittävillä virrantiheyksillä jotkin puolijohteiden p-n-liitokset voivat olla lähteitä laser säteilyä. Puolijohdelasereiden etuna on, että ne eivät vaadi optista pumppausta. Tässä optisen pumppauksen roolia suorittavat injektiovirrat, jotka luovat käänteisen populaation. Puolijohdelasereiden hyötysuhde voi olla yli 50 %, ja ne ovat erityisen edullisia muuntyyppisiin lasereihin verrattuna jatkuvassa käytössä.

Yleisin materiaali laser-pn-liitoksissa on galliumarsenidi. Käyttämällä p-n-liitoksia galliumarsenidissa jatkuvassa tilassa on mahdollista saada wattiyksiköitä lähes monokromaattista säteilyä, jonka aallonpituus on 8400 Å nestemäisen typen lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa aallonpituus kasvaa 9000 Å:iin.

Puolijohteiden käänteispopulaatio voidaan luoda paitsi ruiskuttamalla, myös muilla menetelmillä, esimerkiksi virittämällä elektroneja elektronisuihkulla.

§ 6 Imeytyminen.

Spontaani ja stimuloitu emissio

Normaaleissa olosuhteissa (ulkoisten vaikutusten puuttuessa) suurin osa atomien elektroneista on alimmalla virittymättömällä tasolla E 1, eli atomilla on vähimmäismäärä sisäistä energiaa, loput tasot E 2 , E 3 ....E n jotka vastaavat virittyneitä tiloja, niillä on pienin elektronipopulaatio tai ne ovat ollenkaan vapaita. Jos atomi on perustilassa E 1, sitten ulkoisen säteilyn vaikutuksesta pakotettu siirtyminen virittyneeseen tilaan E 2. Tällaisten siirtymien todennäköisyys on verrannollinen siirtymät aiheuttavan säteilyn tiheyteen.

Virittyneessä tilassa 2 oleva atomi voi jonkin ajan kuluttua siirtyä spontaanisti spontaanisti (ilman ulkoisia vaikutteita) pienemmän energian omaavaan tilaan luovuttaen ylimääräistä energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa, ts. lähettää fotonia.

Kutsutaan prosessia, jossa viritetty atomi lähettää fotonin ilman ulkoisia vaikutuksia spontaani (spontaani) emissio. Mitä suurempi on spontaanien siirtymien todennäköisyys, sitä lyhyempi on atomin keskimääräinen elinikä viritetyssä tilassa. Koska spontaanit siirtymät eivät siis liity toisiinsa spontaani emissio ei ole yhtenäinen.

Jos viritetyssä tilassa 2 oleva atomi altistuu ulkoiselle säteilylle, jonka taajuus on tyydyttävähn = E 2 - E 1, silloin tapahtuu pakotettu (indusoitu) siirtyminen perustilaan 1 samanenergiaisen fotonin emission kanssahn = E 2 - E yksi . Tällaisessa siirtymässä tapahtuu atomin säteilyä lisäksi fotoniin, jonka alla siirtymä tapahtui. Ulkoisen altistuksen aiheuttamaa säteilyä kutsutaan pakko. Siten sisään prosessi stimuloitu emissio mukana on kaksi fotonia: primaarinen fotoni, joka aiheuttaa virittyneen atomin säteilyn, ja sekundäärinen atomin lähettämä fotoni. Toissijaiset fotonit erottumaton peruskoulusta.

Einstein ja Dirac osoittivat, että stimuloitu emissio on identtinen stimuloivan emission kanssa: niillä on sama vaihe, taajuus, polarisaatio ja etenemissuunta.Þ Stimuloitu emissio tiukasti johdonmukaista pakotetulla päästöllä.

Säteilevät fotonit, jotka liikkuvat yhteen suuntaan ja kohtaavat muita virittyneitä atomeja, stimuloivat lisää indusoituja siirtymiä, ja fotonien määrä kasvaa kuin lumivyöry. Stimuloidun emission ohella tapahtuu kuitenkin absorptiota. Siksi tulevan säteilyn vahvistamiseksi on välttämätöntä, että stimuloiduissa emissioissa olevien fotonien lukumäärä (joka on verrannollinen virittyneiden tilojen populaatioon) ylittää absorboituneiden fotonien lukumäärän. Systeemissä atomit ovat termodynaamisessa tasapainossa, absorptio ylittää stimuloidun emission, ts. Tapahtumasäteily vaimenee kulkiessaan aineen läpi.

Jotta väliaine voi vahvistaa siihen kohdistuvaa säteilyä, on tarpeen luoda järjestelmän epätasapainotila, jossa viritetyssä tilassa olevien atomien määrä on suurempi kuin perustilassa. Tällaisia ​​tiloja kutsutaan toteaa kanssa väestön inversio. Aineen epätasapainotilan luomisprosessia kutsutaan pumpataan. Pumppaus voidaan tehdä optisilla, sähköisillä ja muilla menetelmillä.

Väliaineissa, joissa populaatio on käänteinen, stimuloitu emissio voi ylittää absorption, ts. tuleva säteily vahvistuu kulkiessaan väliaineen läpi (näitä väliaineita kutsutaan aktiivisiksi). Näille tiedotusvälineille Bouguerin laissaminä = minä 0e- ax , absorptiokerroin a - negatiivinen.

§ 7. Laserit - optiset kvanttigeneraattorit

60-luvun alussa luotiin optisen alueen kvanttigeneraattori - laser " Valon vahvistus stimuloidulla säteilyemissiolla ” - valon vahvistaminen indusoidulla säteilyemissiolla. Lasersäteilyn ominaisuudet: korkea monokromaattisuus (erittäin korkea valotaajuus), terävä avaruudellinen orientaatio, valtava spektrin kirkkaus.

Kvanttimekaniikan lakien mukaan elektronin energia atomissa ei ole mielivaltainen: sillä voi olla vain tietty (diskreetti) arvoalue E 1, E 2, E 3 ... E n nimeltään energiatasot. Nämä arvot ovat erilaisia ​​eri atomeille. Sallittujen energia-arvojen joukkoa kutsutaan energiaspektri atomi. Normaaleissa olosuhteissa (ulkoisten vaikutusten puuttuessa) suurin osa atomien elektroneista on alimmalla viritystasolla E 1, ts. atomilla on vähimmäismäärä sisäistä energiaa; muut tasot E 2 , E 3 ..... E n vastaavat atomin suurempaa energiaa ja niitä kutsutaan innoissaan.

Elektronin siirtyessä energiatasolta toiselle atomi voi lähettää tai absorboida sähkömagneettisia aaltoja, joiden taajuus n m n \u003d (E m - E n) h,

missä h - Planckin vakio ( h = 6,62 10-34 Js);

E n - lopullinen, E m - Ensimmäinen taso.

Herätetty atomi voi luovuttaa osan ulkoisesta lähteestä saamastaan ​​tai elektronien lämpöliikkeen seurauksena hankkimasta ylimääräisestä energiastaan ​​kahdella eri tavalla.

Mikä tahansa atomin virittynyt tila on epävakaa, ja sen spontaani siirtyminen alhaisemman energian tilaan on aina mahdollista sähkömagneettisen säteilyn kvantin emissiolla. Tällaista siirtymää kutsutaan spontaani(spontaani). Se on epäsäännöllinen ja kaoottinen. Kaikki tavalliset lähteet tuottavat valoa spontaanin säteilyn avulla.

Tämä on ensimmäinen emissiomekanismi (sähkömagneettinen säteily). Tarkistetussa kaksitasoinen järjestelmä valon emissio, säteilyn vahvistusta ei voida saavuttaa. Imeytynyt energia h n vapautuu kvanttina, jolla on sama energia h n ja voit puhua siitä termodynaaminen tasapaino: kaasussa olevien atomien viritysprosessit tasapainotetaan aina päästöjen käänteisprosesseilla.

§2 Kolmitasoinen järjestelmä

Termodynaamisessa tasapainossa olevan aineen atomeissa jokainen seuraava viritetty taso sisältää vähemmän elektroneja kuin edellinen. Jos vaikutamme järjestelmään jännittävällä säteilyllä, jonka taajuus putoaa resonanssiin tasojen 1 ja 3 välisen siirtymän kanssa (kaaviollisesti 1→ 3), silloin atomit absorboivat tätä säteilyä ja siirtyvät tasolta 1 tasolle 3. Jos säteilyn intensiteetti on tarpeeksi korkea, tasolle 3 siirtyneiden atomien määrä voi olla varsin merkittävä, ja me, kun olemme rikkoneet tasapainoa tason populaatioiden jakautuminen lisää tason 3 väestöä ja vähentää siten tason 1 väestöä.

Ylemmältä kolmannelta tasolta siirtymät ovat mahdollisia 3→ 1 ja 3 → 2. Kävi ilmi, että siirtymä 3→ 1 johtaa energian emission E 3 -E 1 = h n 3-1 ja siirtymä 3 → 2 ei ole säteilevä: se johtaa välitason 2 "ylhäältä"-populaatioon (osa elektronienergiasta vapautuu aineelle tämän siirtymän aikana lämmittäen sitä). Tätä toista tasoa kutsutaan metastabiili, ja sen seurauksena siinä on enemmän atomeja kuin ensimmäisessä. Koska atomit saapuvat tasolle 2 maan tasolta 1 ylemmän tilan 3 kautta ja palaavat takaisin maan tasolle "suurella viiveellä", taso 1 on "tyhjentynyt".

Tämän seurauksena on inversio, nuo. Tasopopulaatioiden käänteinen käänteisjakauma. Energiatasojen populaation inversio syntyy intensiivisen apusäteilyn ns pumpun säteilyä ja lopulta johtaa aiheutettu(pakotettu) fotonien lisääntyminen käänteisväliaineessa.

Kuten missä tahansa generaattorissa, laserissa generointitilan saamiseksi se on välttämätöntä Palaute. Laserissa palaute toteutetaan peilien avulla. Vahvistava (aktiivinen) väliaine sijoitetaan kahden peilin väliin - tasainen tai useammin kovera. Toinen peili on tehty kiinteäksi, toinen on osittain läpinäkyvä.

Syntymisprosessin "siemen" on fotonin spontaani emissio. Tämän fotonin liikkeen seurauksena väliaineessa se synnyttää lumivyöryn fotoneista, jotka lentävät samaan suuntaan. Kun lumivyöry on saavuttanut läpikuultavan peilin, se heijastuu osittain ja kulkee osittain peilin läpi ulos. Oikeasta peilistä heijastuksen jälkeen aalto palaa takaisin ja vahvistuu edelleen. Kävellen matkaal, se saavuttaa vasemman peilin, heijastuu ja ryntää jälleen oikeaan peiliin.

Tällaiset olosuhteet luodaan vain aksiaaliaalloille. Muiden suuntien kvantit eivät pysty ottamaan huomattavaa osaa aktiiviseen väliaineeseen varastoidusta energiasta.

Laserista tulevalla aallolla on lähes tasainen etuosa ja korkea tilallinen ja ajallinen koherenssi koko säteen poikkileikkauksella.

Lasereissa käytetään aktiivisena väliaineena erilaisia ​​kaasuja ja kaasuseoksia ( kaasulaserit), kiteitä ja laseja, joissa on tiettyjen ionien epäpuhtauksia ( solid-state laserit), puolijohteet ( puolijohdelaserit).

Viritysmenetelmät (pumppujärjestelmässä) riippuvat aktiivisen väliaineen tyypistä. Tämä on joko menetelmä viritysenergian siirtämiseksi hiukkasten törmäyksen seurauksena kaasupurkausplasmassa (kaasulaserit) tai energian siirto säteilyttämällä aktiivisia keskuksia epäkoherentilla valolla erityisistä lähteistä (optinen pumppaus solid-state lasereissa), tai epätasapainoisten kantajien ruiskutus p- n - siirtyminen, joko viritys elektronisuihkulla tai optinen pumppaus (puolijohdelaserit).

Tällä hetkellä on luotu erittäin suuri määrä erilaisia ​​lasereita, jotka tuottavat säteilyä laajalla aallonpituusalueella (200¸ 2 10 4 nm). Laserit toimivat hyvin lyhyillä valopulsseilla. t » 1·10 -12 s voi myös antaa jatkuvaa säteilyä. Lasersäteilyn energiavuon tiheys on noin 10 10 W/cm 2 (Auringon intensiteetti vain 7·10 3 W/cm 2).

Laser on laite, joka tuottaa koherentteja sähkömagneettisia aaltoja väliaineen stimuloidun mikrohiukkasten emission vuoksi, jossa syntyy yhden energiatason korkea viritys.

LASER. - englannista. valon vahvistaminen stimuloidulla emissiolla.

Optinen kvanttigeneraattori muuntaa pumpun energian koherentin monokromaattisen polarisoidun kapean suunnan energiaksi. Einstein esitteli stimuloidun emission käsitteen. Vuonna 1939 venäläinen tiedemies Fabrikant tuli johtopäätökseen valon vahvistumisen mahdollisuudesta kulkiessaan aineen läpi.

Työolot. Periaate.

• - stimuloitu emissio. Kun fotoni on vuorovaikutuksessa virittyneen molekyylin kanssa, valo vahvistuu. Pakotettujen siirtymien määrä riippuu sekunnissa saapuvien fotonien määrästä ja virittyneiden elektronien määrästä.
• - energiatasojen käänteinen populaatio - tila, jossa korkeammalla energiatasolla on enemmän hiukkasia kuin alemmalla. Aktiivinen väliaine on väliaine, joka on tuotu käänteisen populaation tilaan. IN on mahdollista luoda vain poistamalla TD tasapainotilasta (pumppausmenetelmät)
• 1) läpinäkyvän aktiivisen aineen optinen pumppaus käyttää valopulsseja ulkoisesta lähteestä.
• 2) kaasumaisten aktiivisten väliaineiden sähköpurkauspumppauksessa käytetään sähkövarausta.
• 3) puolijohdeaktiivisten väliaineiden ruiskupumppaus käyttää el. nykyinen.
• 4) aktiivisen väliaineen kemiallinen pumppaus kaasuseoksesta käyttää kemikaalin energiaa. reaktiot seoksen komponenttien välillä.

Laserlaite:

• 1) työneste - ympäristö, joka saatetaan aktiiviseen tilaan ulkoisen vaikutuksen vaikutuksesta
• 2) pumppujärjestelmä - laite työnesteen saattamiseksi aktiiviseen tilaan
• 3) optinen resonaattori - kaksi tasaista peiliä vastakkain. Useista heijastuksista johtuen tapahtuu lumivyöryn kaltainen fotoniemissio. Kun intensiteetti saavuttaa tietyn arvon, lasersäteilyn tuotto alkaa.

Lasersäteilyn ominaisuudet:

• 1) korkea yksivärisyys
• 2) koherenssi - fotonien vaihe-eron pysyvyys
• 3) korkea intensiteetti jopa 1014-1016 W/kV.cm.
• 4) kollimaatio
• 5) polarisaatio - LI vain yhdessä tasossa.
• 6) suuri teho jopa 10 (5 st) wattia.

rubiini laser.

Käyttöneste on Al-oksidi + 0,05 % kromioksidi, pumppausjärjestelmä on optinen, aallonpituus = 694,3 nm. Al on 2 energiatasoa (maa ja jännittynyt). T \u003d 10 (-8 st) s. Kromilla on 3 energiatasoa (perus-, viritys-, keskitaso), T = 10 (-3.) s. Al siirtää energiansa kromiatomeille, auttaa innostumaan. Kromi on aktiivinen väliaine.

Helium-neon laser.

Käyttöneste on heliumin ja neonkaasujen seos suhteessa 10:1. Paine 150 Pa. Atomit neon - säteilevät, helium - apu. Pumppausjärjestelmä - el. purkaa. Aallonpituus = 632,8 nm.

Absorboimalla fotonin atomi siirtyy alemmalta energiatasolta korkeammalle. Spontaanien siirtymisen aikana alemmalle tasolle atomi emittoi fotonin. Tietyn kemiallisen alkuaineen atomeille sallitaan vain hyvin erityiset siirtymät energiatasojen välillä. Tämän seurauksena atomit absorboivat vain niitä fotoneja, joiden energia vastaa täsmälleen atomin siirtymisenergiaa energiatasolta toiselle. Visuaalisesti tämä ilmenee kunkin kemiallisen alkuaineen yksilöllisen absorptiospektrin olemassaolossa, joka sisältää tietyn joukon värivyöhykkeitä.

Atomin alemmalle energiatasolle siirtymisen aikana lähettämällä fotonilla on myös hyvin spesifinen energia, joka vastaa energiatasojen välistä energiaeroa. Tästä syystä atomit voivat lähettää vain tietyntaajuisia valoaaltoja. Tämä vaikutus ilmenee selvästi loistelamppujen toiminnassa, joita käytetään usein katumainonnassa. Tällaisen lampun onkalo on täytetty jonkinlaisella inertillä kaasulla, jonka atomit virittyvät ultraviolettisäteilyllä, joka syntyy, kun sähkövirta johdetaan lampun kuoren sisäpinnan peittävän erityisen kerroksen läpi. Palattuaan perustilaan kaasuatomit antavat tietyn värisen hehkun. Joten esimerkiksi neon antaa punaista hehkua ja argon antaa vihreää hehkua.

Atomien spontaanit (spontaanit) siirtymät korkeammalta energiatasolta alemmalle ovat satunnaisia. Tässä tapauksessa syntyvällä säteilyllä ei ole lasersäteilyn ominaisuuksia: valonsäteiden yhdensuuntaisuus, koherenssi (värähtelyjen amplitudien ja vaiheiden johdonmukaisuus ajassa ja tilassa), yksivärinen (tiukka monokromaattisuus). Kuitenkin jo vuonna 1917 Albert Einstein ennusti indusoitujen siirtymien olemassaolon sekä spontaaneja siirtymiä alemmalle energiatasolle. Myöhemmin tämä mahdollisuus toteutettiin lasereiden suunnittelussa. Tämän ilmiön ydin on, että valovirran fotoni, joka tapaa matkallaan virittyneen atomin, syrjäyttää siitä fotonin, jolla on täsmälleen samat ominaisuudet.

Tämän seurauksena identtisten fotonien määrä kaksinkertaistuu. Äskettäin muodostunut fotoni pystyy puolestaan ​​generoimaan toisen fotonin lyömällä sen pois toisesta virittyneestä atomista. Näin ollen identtisten fotonien määrä kasvaa kuin lumivyöry. Tässä tapauksessa syntyvälle säteilylle on ominaista valovirran säteiden suuri yhdensuuntaisuus, koherenssi ja yksivärisyys, koska se sisältää vain niitä fotoneja, joilla on sama energia ja liikesuunta.