आइए हम परमाणुओं द्वारा फोटॉनों के उत्सर्जन और अवशोषण की क्वांटम प्रक्रियाओं की विशेषता बताते हैं। फोटॉन केवल उत्तेजित परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित होते हैं। एक फोटॉन उत्सर्जित करने से, परमाणु ऊर्जा खो देता है, और इस हानि का परिमाण संबंध द्वारा फोटॉन की आवृत्ति से संबंधित होता है (3.12.7)। यदि एक परमाणु, किसी कारण से (उदाहरण के लिए, दूसरे परमाणु से टकराने के कारण) उत्तेजित अवस्था में चला जाता है, तो यह अवस्था अस्थिर होती है। इसलिए, परमाणु एक फोटॉन उत्सर्जित करके कम ऊर्जा की स्थिति में लौट आता है। ऐसे विकिरण को कहा जाता है अविरलया अविरल।इस प्रकार, सहज उत्सर्जन बाहरी क्रिया के बिना होता है और केवल उत्तेजित अवस्था की अस्थिरता के कारण होता है। अलग-अलग परमाणु एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से विकिरण करते हैं और फोटॉन उत्पन्न करते हैं जो विभिन्न दिशाओं में फैलते हैं। इसके अलावा, एक परमाणु को विभिन्न अवस्थाओं में उत्तेजित किया जा सकता है, इसलिए यह विभिन्न आवृत्तियों के फोटॉन का उत्सर्जन करता है। इसलिए, ये फोटॉन असंगत हैं।

यदि परमाणु एक प्रकाश क्षेत्र में हैं, तो बाद वाले एक फोटॉन के अवशोषण के साथ, और इसके विपरीत एक फोटॉन के उत्सर्जन के साथ, निचले स्तर से उच्च स्तर तक संक्रमण का कारण बन सकते हैं। एक गुंजयमान आवृत्ति के साथ एक बाहरी विद्युत चुम्बकीय तरंग के परमाणु पर प्रभाव के कारण होने वाला विकिरण, जिसके लिए समानता (3.12.7) संतुष्ट होती है, कहलाती है प्रेरित कियाया मजबूरस्वतःस्फूर्त उत्सर्जन के विपरीत, प्रेरित उत्सर्जन के प्रत्येक कार्य में दो फोटॉन भाग लेते हैं। उनमें से एक तीसरे पक्ष के स्रोत से फैलता है और परमाणु पर कार्य करता है, और दूसरा इस प्रभाव के परिणामस्वरूप परमाणु द्वारा उत्सर्जित होता है। उत्तेजित उत्सर्जन की एक विशिष्ट विशेषता बाहरी फोटॉन की स्थिति के साथ उत्सर्जित फोटॉन की स्थिति का सटीक संयोग है। दोनों फोटॉनों में समान तरंग वैक्टर और ध्रुवीकरण होते हैं, दोनों फोटॉनों में भी समान आवृत्तियां और चरण होते हैं। इसका मतलब यह है कि उत्तेजित उत्सर्जन के फोटॉन हमेशा उन फोटॉनों के साथ सुसंगत होते हैं जो इस उत्सर्जन का कारण बनते हैं। प्रकाश क्षेत्र में परमाणु भी फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप परमाणु उत्तेजित होते हैं। परमाणुओं द्वारा फोटॉन का गुंजयमान अवशोषण हमेशा एक प्रेरित प्रक्रिया है जो केवल बाहरी विकिरण के क्षेत्र में होती है। अवशोषण के प्रत्येक कार्य में, एक फोटॉन गायब हो जाता है, और परमाणु एक उच्च ऊर्जा वाली अवस्था में चला जाता है।

विकिरण, उत्सर्जन या फोटॉन के अवशोषण के साथ परमाणुओं की बातचीत में कौन सी प्रक्रियाएं प्रबल होंगी, यह उच्च या निम्न ऊर्जा वाले परमाणुओं की संख्या पर निर्भर करेगा।

आइंस्टीन ने सहज और उत्तेजित उत्सर्जन की प्रक्रियाओं का वर्णन करने के लिए संभाव्य तरीकों को लागू किया। थर्मोडायनामिक विचारों के आधार पर, उन्होंने साबित किया कि विकिरण के साथ उत्तेजित संक्रमण की संभावना प्रकाश के अवशोषण के साथ उत्तेजित संक्रमण की संभावना के बराबर होनी चाहिए। इस प्रकार, एक दिशा और दूसरी दिशा में समान संभावना के साथ मजबूर संक्रमण हो सकता है।

आइए अब हम एक प्रकाश क्षेत्र में कई समान परमाणुओं पर विचार करें, जिन्हें हम समदैशिक और अध्रुवित मानेंगे। (फिर ध्रुवीकरण और विकिरण की दिशा पर नीचे पेश किए गए गुणांक की निर्भरता का सवाल गायब हो जाता है।) ऊर्जा के साथ राज्यों में परमाणुओं की संख्या होने दें और, और इन राज्यों को स्वीकार्य राज्यों की संख्या में से कोई भी लिया जा सकता है, लेकिन । और कहा जाता है ऊर्जा स्तर की जनसंख्यासहज उत्सर्जन के दौरान प्रति इकाई समय में एक राज्य से दूसरे राज्य में परमाणुओं के संक्रमण की संख्या राज्य में परमाणुओं की संख्या के समानुपाती होगी:

उत्तेजित उत्सर्जन के दौरान समान अवस्थाओं के बीच परमाणुओं के संक्रमण की संख्या भी जनसंख्या के समानुपाती होगी पी -वें स्तर, लेकिन विकिरण के वर्णक्रमीय ऊर्जा घनत्व के क्षेत्र में परमाणु हैं:

से संक्रमण की संख्या टी -वाह पी -विकिरण के साथ अंतःक्रिया के कारण वां स्तर

मात्राओं को आइंस्टीन गुणांक कहा जाता है।

पदार्थ और विकिरण के बीच संतुलन प्राप्त किया जाएगा बशर्ते कि प्रति इकाई समय में राज्य से संक्रमण करने वाले परमाणुओं की संख्या पीएक राज्य में टीविपरीत दिशा में संक्रमण करने वाले परमाणुओं की संख्या के बराबर होगा:

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, एक दिशा और दूसरे में मजबूर संक्रमण की संभावना समान है। इसीलिए ।

तब (3.16.4) से कोई विकिरण ऊर्जा घनत्व ज्ञात कर सकता है

विभिन्न ऊर्जाओं वाले राज्यों में परमाणुओं का संतुलन वितरण बोल्ट्जमान कानून द्वारा निर्धारित किया जाता है

तब (3.16.5) से हमें प्राप्त होता है

जो प्लांक के सूत्र (3.10.23) से अच्छी तरह सहमत है। यह समझौता प्रेरित उत्सर्जन के अस्तित्व के बारे में निष्कर्ष की ओर ले जाता है।

लेजर।

बीसवीं शताब्दी के 50 के दशक में, ऐसे उपकरण बनाए गए थे, जिनसे गुजरते समय उत्तेजित विकिरण के कारण विद्युत चुम्बकीय तरंगें प्रवर्धित होती हैं। सबसे पहले, जनरेटर बनाए गए थे जो सेंटीमीटर तरंग रेंज में काम करते थे, और थोड़ी देर बाद एक समान उपकरण बनाया गया था जो ऑप्टिकल रेंज में काम करता था। इसका नाम अंग्रेजी नाम लाइट एम्प्लीफिकेशन बाय स्टिम्युलेटेड एमिशन ऑफ रेडिएशन (उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन) के पहले अक्षर के नाम पर रखा गया था - लेजर।लेज़रों को भी कहा जाता है ऑप्टिकल क्वांटम जनरेटर

पदार्थ के पारित होने के दौरान विकिरण की तीव्रता में वृद्धि के लिए, यह आवश्यक है कि परमाणु राज्यों के प्रत्येक जोड़े के लिए, जिसके बीच संक्रमण फोटॉन के उत्सर्जन और अवशोषण के साथ होता है, उच्च ऊर्जा वाले राज्य की जनसंख्या निम्न ऊर्जा वाले राज्य की जनसंख्या से अधिक थी।इसका मतलब है कि थर्मल संतुलन को परेशान किया जाना चाहिए। ऐसा कहा जाता है कि जिस पदार्थ में परमाणुओं की उच्च ऊर्जा अवस्था निम्न ऊर्जा अवस्था से अधिक आबाद होती है, उसमें होती है जनसंख्या का ह्रास।

दो परमाणु राज्यों के जनसंख्या व्युत्क्रम के साथ पदार्थ से गुजरते हुए, विकिरण फोटॉन से समृद्ध होता है, जो इन परमाणु राज्यों के बीच संक्रमण का कारण बनता है। नतीजतन, विकिरण का एक सुसंगत प्रवर्धन एक निश्चित आवृत्ति पर होता है, जब जनसंख्या उलटा राज्यों के बीच परमाणुओं के संक्रमण के दौरान फोटॉन का प्रेरित उत्सर्जन उनके अवशोषण पर प्रबल होता है। जनसंख्या व्युत्क्रमण वाले पदार्थ को सक्रिय माध्यम कहा जाता है।

जनसंख्या व्युत्क्रमण के साथ एक राज्य बनाने के लिए, ऊर्जा खर्च करना आवश्यक है, इसे उन प्रक्रियाओं पर काबू पाने पर खर्च करना है जो संतुलन वितरण को बहाल करते हैं। किसी पदार्थ पर इस प्रभाव को कहते हैं पंप किया हुआपंप ऊर्जा हमेशा बाहरी स्रोत से सक्रिय माध्यम में आती है।

विभिन्न पंपिंग विधियां हैं। लेज़रों में स्तर जनसंख्या व्युत्क्रमण बनाने के लिए, तीन-स्तरीय पद्धति का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। आइए एक उदाहरण के रूप में रूबी लेजर का उपयोग करके इस पद्धति के सार पर विचार करें।

रूबी एक एल्यूमीनियम ऑक्साइड है जिसमें कुछ एल्यूमीनियम परमाणुओं को क्रोमियम परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। क्रोमियम के परमाणुओं (आयनों) के ऊर्जा स्पेक्ट्रम में ऊर्जा के साथ तीन स्तर (चित्र 3.16.1) होते हैं, और। ऊपरी स्तर वास्तव में एक काफी चौड़ा बैंड है जो बारीकी से दूरी वाले स्तरों के एक सेट द्वारा बनाया गया है।

आर

त्रिस्तरीय प्रणाली की मुख्य विशेषता यह है कि स्तर 2, स्तर 3 से नीचे, होना चाहिए मेटास्टेबल स्तर।इसका मतलब है कि ऐसी प्रणाली में संक्रमण क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा निषिद्ध है। यह निषेध इस तरह के संक्रमण के लिए क्वांटम संख्याओं के चयन के नियमों के उल्लंघन से जुड़ा है। चयन नियम पूर्ण गैर-कूद नियम नहीं हैं। हालांकि, कुछ क्वांटम संक्रमण के लिए उनका उल्लंघन इसकी संभावना को काफी कम कर देता है। एक बार ऐसी मेटास्टेबल अवस्था में, परमाणु उसमें रहता है। साथ ही, एक मेटास्टेबल अवस्था () में एक परमाणु का जीवनकाल एक सामान्य उत्तेजित अवस्था () में एक परमाणु के जीवनकाल से सैकड़ों हजार गुना अधिक होता है। इससे उत्तेजित परमाणुओं को ऊर्जा के साथ संचित करना संभव हो जाता है। इसलिए, स्तर 1 और 2 की व्युत्क्रम जनसंख्या बनाई जाती है।

इसलिए प्रक्रिया निम्नानुसार आगे बढ़ती है। एक फ्लैश लैंप से हरी बत्ती की क्रिया के तहत, क्रोमियम आयन जमीनी अवस्था से उत्तेजित अवस्था में चले जाते हैं। रिवर्स संक्रमण दो चरणों में होता है। पहले चरण में, उत्तेजित आयन अपनी ऊर्जा का कुछ हिस्सा क्रिस्टल जाली को छोड़ देते हैं और एक मेटास्टेबल अवस्था में चले जाते हैं। इस राज्य की व्युत्क्रम जनसंख्या निर्मित होती है। यदि अब 694.3 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ एक फोटॉन एक रूबी में दिखाई देता है जिसे इस तरह की स्थिति में लाया गया है (उदाहरण के लिए, स्तर से एक सहज संक्रमण के परिणामस्वरूप), तो प्रेरित उत्सर्जन गुणन की ओर ले जाएगा फोटॉन का, बिल्कुल मूल (सुसंगत) की नकल करना. इस प्रक्रिया में हिमस्खलन जैसा चरित्र होता है और बहुत बड़ी संख्या में केवल उन फोटॉनों की उपस्थिति होती है जो छोटे कोणों पर लेजर अक्ष पर फैलते हैं। इस तरह के फोटॉन, लेजर के ऑप्टिकल गुहा के दर्पणों से बार-बार परावर्तित होते हैं, इसमें एक लंबा रास्ता तय करते हैं और परिणामस्वरूप, कई बार उत्तेजित क्रोमियम आयनों का सामना करते हैं, जिससे उनका प्रेरित संक्रमण होता है। फोटॉन फ्लक्स तब फैलता है संकीर्ण प्रकाशपुंज,

रूबी लेज़र स्पंदित मोड में काम करते हैं। 1961 में, हीलियम और नियॉन के मिश्रण पर आधारित पहला गैस लेजर बनाया गया था, जो निरंतर मोड में काम कर रहा था। फिर सेमीकंडक्टर लेजर बनाए गए। वर्तमान में, लेजर सामग्री की सूची में कई दर्जनों ठोस और गैसीय पदार्थ शामिल हैं।

लेजर विकिरण के गुण।

लेजर विकिरण में ऐसे गुण होते हैं जो पारंपरिक (गैर-लेजर) स्रोतों से विकिरण में नहीं होते हैं।

1. लेजर विकिरण में उच्च स्तर की मोनोक्रोमैटिकिटी होती है। ऐसे विकिरण का तरंग दैर्ध्य अंतराल ~ 0.01 एनएम है।

2. लेजर विकिरण उच्च अस्थायी और स्थानिक सुसंगतता की विशेषता है। इस तरह के विकिरण का सुसंगतता समय सेकंड तक पहुंच जाता है (सुसंगतता की लंबाई मी के क्रम पर होती है), जो एक पारंपरिक स्रोत के सुसंगतता समय से लगभग गुना अधिक है। लेजर आउटलेट पर स्थानिक सुसंगतता पूरे बीम क्रॉस सेक्शन पर बनी रहती है। एक लेज़र की मदद से, प्रकाश प्राप्त करना संभव है, जिसकी सुसंगतता मात्रा सबसे अधिक मोनोक्रोमैटिक गैर-लेजर स्रोतों से प्राप्त समान तीव्रता की प्रकाश तरंगों की सुसंगतता मात्रा से कई गुना अधिक है। इसलिए, होलोग्राफी में लेजर विकिरण का उपयोग किया जाता है, जहां उच्च स्तर की सुसंगतता वाले विकिरण की आवश्यकता होती है।

आवेश वाहकों के निर्माण और पुनर्संयोजन की प्रक्रियाएं एक दूसरे से अविभाज्य हैं, हालांकि वे सामग्री में विपरीत हैं। पुनर्संयोजन के दौरान ऊर्जा या तो फोटॉन के रूप में जारी की जा सकती है (विकिरण संबंधी पुनर्संयोजन),या फोनन के रूप में (गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन)।

हाल के वर्षों में, कई प्रकार के उपकरण विकसित किए गए हैं जो विद्युत संकेतों को प्रकाश में परिवर्तित करते हैं। उनके संचालन का सिद्धांत तथाकथित पुनर्संयोजन विकिरण पर आधारित है - इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के प्रत्यक्ष पुनर्संयोजन कार्यों के दौरान प्रकाश क्वांटा का विकिरण।

तीव्र पुनर्संयोजन के लिए, एक साथ कंडक्शन बैंड में इलेक्ट्रॉनों का उच्च घनत्व और वैलेंस बैंड में मुक्त स्तरों (छेद) का उच्च घनत्व होना आवश्यक है।

ऐसी स्थितियां उच्च स्तर के इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन में एक छेद अर्धचालक में स्वीकार्य की उच्च सांद्रता के साथ बनाई जाती हैं।

जाहिर सी बात है प्रत्यक्ष संक्रमण के अनुरूप विकिरण पुनर्संयोजन के लिए, यह आवश्यक है कि अर्धचालक में एक उपयुक्त बैंड संरचना हो: संयोजकता बैंड और चालन बैंड की चरम सीमा तरंग सदिश के समान मान के अनुरूप होनी चाहिए .

वर्तमान में, A III B V, A II B VI, साथ ही अन्य बाइनरी (SiC) और टर्नरी सिस्टम (जैसे GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe, आदि) के कई अर्धचालक यौगिकों का अध्ययन किया गया है, जिन पर p-n- जंक्शन जो आगे की दिशा में चालू होने पर प्रकाश कंपन उत्पन्न करते हैं। ऐसे अर्धचालक प्रकाश स्रोत विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयोगी हो सकते हैं, जैसे उपकरणों को इंगित करना।

कुछ अशुद्धियों के साथ एक अर्धचालक को डोपिंग करके, पुनर्संयोजन ऊर्जा को बदलना संभव है और, परिणामस्वरूप, अशुद्धता बैंड के कारण उत्सर्जित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य। इस प्रकार, GaP पर p-n जंक्शन दो उत्सर्जन मैक्सिमा देते हैं: 5650 और 7000 । GaAsP पर P-n जंक्शन 6000 से 7000 की सीमा में ल्यूमिनेसेंस प्रदान करते हैं। 5600-6300 की तरंग दैर्ध्य रेंज में ल्यूमिनेसिसेंस सिलिकॉन कार्बाइड जंक्शनों के साथ प्राप्त किया जा सकता है। विकिरण पुनर्संयोजन मोड में ऑपरेशन लगभग 0.5-1.5% की क्वांटम उपज के साथ अपेक्षाकृत उच्च वर्तमान घनत्व (कई सौ एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर) पर होता है।

500 . से अधिक उच्च वर्तमान घनत्व पर ए / सेमी 2और कई हजार . तक पहुंचना ए / सेमी 2,एक गुणात्मक रूप से नई घटना प्रकट होती है -

संपर्क संभावित अंतर (जो बहुत उच्च वर्तमान घनत्व से मेल खाती है) के निकट जंक्शन पर बाहरी वोल्टेज के साथ, निम्न होता है: बुलाया जनसंख्या का ह्रास . चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों द्वारा कब्जा किए गए स्तरों का घनत्व वैलेंस बैंड के शीर्ष के पास इलेक्ट्रॉनों द्वारा कब्जा किए गए स्तरों के घनत्व से अधिक हो जाता है।

वर्तमान घनत्व का वह मान जिस पर जनसंख्या व्युत्क्रमण होता है, कहलाता है दहलीज वर्तमान.

दहलीज से नीचे की धाराओं पर, पुनर्संयोजन के यादृच्छिक कार्य होते हैं; तथाकथित स्वत: उत्सर्जन।

दहलीज से ऊपर की धाराओं पर, अर्धचालक से गुजरने वाली एक हल्की मात्रा का कारण बनता है प्रेरित उत्सर्जन -कई आवेश वाहकों का एक साथ पुनर्संयोजन। इस मामले में, प्रवर्धन या पीढ़ी होती है सुसंगतप्रकाश कंपन, यानी, एक ही चरण वाले कंपन।

इस प्रकार, थ्रेशोल्ड मान से अधिक वर्तमान घनत्व पर, कुछ प्रकार के अर्धचालक पी-एन जंक्शन स्रोत हो सकते हैं लेज़रविकिरण। सेमीकंडक्टर लेजर का लाभ यह है कि उन्हें ऑप्टिकल पंपिंग की आवश्यकता नहीं होती है। यहां, ऑप्टिकल पंपिंग की भूमिका इंजेक्शन धाराओं द्वारा की जाती है जो एक उलटा आबादी बनाते हैं। सेमीकंडक्टर लेज़रों में 50% से अधिक की क्षमता हो सकती है और निरंतर संचालन में उपयोग किए जाने पर अन्य प्रकार के लेज़रों पर विशेष रूप से लाभप्रद होते हैं।

लेजर पीएन जंक्शनों के लिए सबसे आम सामग्री गैलियम आर्सेनाइड है। गैलियम आर्सेनाइड पर पी-एन-जंक्शन का उपयोग निरंतर मोड में, तरल नाइट्रोजन तापमान पर 8400 के तरंग दैर्ध्य के साथ लगभग मोनोक्रोमैटिक विकिरण के वाट की इकाइयों को प्राप्त करना संभव है। कमरे के तापमान पर, तरंग दैर्ध्य बढ़कर 9000 हो जाता है।

अर्धचालकों में व्युत्क्रम जनसंख्या न केवल इंजेक्शन द्वारा, बल्कि अन्य तरीकों से भी बनाई जा सकती है, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों के उत्तेजना द्वारा।

§ 6 अवशोषण।

सहज और उत्तेजित उत्सर्जन

सामान्य परिस्थितियों में (बाह्य प्रभावों की अनुपस्थिति में), परमाणुओं में अधिकांश इलेक्ट्रॉन सबसे कम अप्रकाशित स्तर पर होते हैं इ 1, यानी एक परमाणु में आंतरिक ऊर्जा की न्यूनतम आपूर्ति होती है, शेष स्तर इ 2 , इ 3 ....इ एन उत्तेजित अवस्थाओं के अनुरूप, इलेक्ट्रॉनों की न्यूनतम आबादी होती है या बिल्कुल भी मुक्त होती है। यदि परमाणु जमीनी अवस्था में है इ 1, फिर बाहरी विकिरण की कार्रवाई के तहत, उत्तेजित अवस्था में एक मजबूर संक्रमण के साथ इ 2. ऐसे संक्रमणों की संभावना विकिरण के घनत्व के समानुपाती होती है जो इन संक्रमणों का कारण बनती है।

एक परमाणु, उत्तेजित अवस्था 2 में होने के कारण, कुछ समय बाद, अनायास (बाहरी प्रभावों के बिना) कम ऊर्जा वाली अवस्था में पारित हो सकता है, जिससे विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूप में अतिरिक्त ऊर्जा निकलती है, अर्थात। एक फोटॉन उत्सर्जित करना।

किसी उत्तेजित परमाणु द्वारा बिना किसी बाहरी प्रभाव के फोटॉन के उत्सर्जन की प्रक्रिया कहलाती है सहज (सहज) उत्सर्जन।सहज संक्रमण की संभावना जितनी अधिक होगी, उत्तेजित अवस्था में परमाणु का औसत जीवनकाल उतना ही कम होगा। इसलिये सहज संक्रमण परस्पर असंबंधित हैं, तो सहज उत्सर्जन सुसंगत नहीं है.

यदि उत्तेजित अवस्था 2 में एक परमाणु संतोषजनक आवृत्ति के साथ बाहरी विकिरण के संपर्क में आता हैएचएन = इ 2 - इ 1, फिर जमीनी अवस्था 1 में एक ही ऊर्जा के साथ एक फोटॉन के उत्सर्जन के साथ एक मजबूर (प्रेरित) संक्रमण होता हैएचएन = इ 2 - इएक । ऐसे संक्रमण में परमाणु द्वारा विकिरण होता है इसके साथ हीफोटॉन के लिए जिसके तहत संक्रमण हुआ। बाहरी एक्सपोजर से उत्पन्न विकिरण को कहा जाता है मजबूर. इस प्रकार, में प्रक्रिया प्रेरित उत्सर्जनदो फोटॉन शामिल हैं: एक प्राथमिक फोटॉन जो उत्तेजित परमाणु द्वारा विकिरण का उत्सर्जन करता है, और एक द्वितीयक फोटॉन परमाणु द्वारा उत्सर्जित होता है। माध्यमिक फोटोन अविवेच्यप्राथमिक से।

आइंस्टीन और डिराक ने साबित किया कि उत्तेजित उत्सर्जन उत्तेजक उत्सर्जन के समान है: उनके पास एक ही चरण, आवृत्ति, ध्रुवीकरण और प्रसार की दिशा है।Þ प्रेरित उत्सर्जन कड़ाई से सुसंगतमजबूर उत्सर्जन के साथ।

उत्सर्जित फोटॉन, एक दिशा में आगे बढ़ते हुए और अन्य उत्तेजित परमाणुओं से मिलते हुए, आगे प्रेरित संक्रमणों को उत्तेजित करते हैं, और फोटॉनों की संख्या हिमस्खलन की तरह बढ़ती है। हालांकि, उत्तेजित उत्सर्जन के साथ, अवशोषण होगा। इसलिए, घटना विकिरण को बढ़ाने के लिए, यह आवश्यक है कि उत्तेजित उत्सर्जन में फोटॉन की संख्या (जो उत्तेजित राज्यों की जनसंख्या के समानुपाती हो) अवशोषित फोटॉनों की संख्या से अधिक हो। प्रणाली में, परमाणु थर्मोडायनामिक संतुलन में हैं, उत्तेजित उत्सर्जन पर अवशोषण प्रबल होगा, अर्थात। घटना विकिरण क्षीण हो जाएगा क्योंकि यह पदार्थ से होकर गुजरता है।

माध्यम के लिए उस पर विकिरण की घटना को बढ़ाने के लिए, यह बनाना आवश्यक है प्रणाली की गैर-संतुलन स्थिति, जिस पर उत्तेजित अवस्था में परमाणुओं की संख्या जमीनी अवस्था की तुलना में अधिक होती है। ऐसे राज्यों को कहा जाता है के साथ राज्य जनसंख्या का ह्रास. पदार्थ की गैर-संतुलन अवस्था बनाने की प्रक्रिया कहलाती है पंप. पम्पिंग ऑप्टिकल, इलेक्ट्रिकल और अन्य तरीकों से किया जा सकता है।

उल्टे आबादी वाले मीडिया में, उत्तेजित उत्सर्जन अवशोषण से अधिक हो सकता है, अर्थात। माध्यम से गुजरने पर आपतित विकिरण प्रवर्धित हो जाएगा (इन माध्यमों को सक्रिय कहा जाता है)। Bouguer के नियम में इन मीडिया के लिएमैं = मैं 0ई- एकएक्स , अवशोषण गुणांकए - नकारात्मक।

§ 7. लेजर - ऑप्टिकल क्वांटम जनरेटर

60 के दशक की शुरुआत में, ऑप्टिकल रेंज का एक क्वांटम जनरेटर बनाया गया था - एक लेजर "विकिरण के उत्सर्जन से प्रेरित लाइट प्रवर्धन "- विकिरण के प्रेरित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश का प्रवर्धन। लेजर विकिरण के गुण: उच्च मोनोक्रोमैटिकिटी (अत्यंत उच्च प्रकाश आवृत्ति), तेज स्थानिक अभिविन्यास, विशाल वर्णक्रमीय चमक।

क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार, एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा मनमानी नहीं होती है: इसमें केवल ई 1, ई 2, ई 3 ... ई मूल्यों की एक निश्चित (असतत) सीमा हो सकती है।एन बुलाया उर्जा स्तर।ये मान अलग-अलग परमाणुओं के लिए अलग-अलग हैं। अनुमत ऊर्जा मूल्यों के सेट को कहा जाता है ऊर्जा स्पेक्ट्रमपरमाणु। सामान्य परिस्थितियों में (बाह्य प्रभावों की अनुपस्थिति में), परमाणुओं में अधिकांश इलेक्ट्रॉन सबसे कम उत्तेजित स्तर E1 पर होते हैं, अर्थात। एक परमाणु में आंतरिक ऊर्जा की न्यूनतम आपूर्ति होती है; अन्य स्तर ई 2 , ई 3 ..... ईएन परमाणु की उच्च ऊर्जा के अनुरूप होते हैं और कहलाते हैं उत्तेजित।

एक इलेक्ट्रॉन के एक ऊर्जा स्तर से दूसरे में संक्रमण के दौरान, एक परमाणु विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन या अवशोषण कर सकता है, जिसकी आवृत्तिएन एम एन \u003d (ई एम - ई एन) एच,

जहां हो - प्लैंक स्थिरांक (एच = 6.62 10 -34 जे एस);

ई एन - फाइनल, ई एम - प्रथम स्तर।

एक उत्तेजित परमाणु अपनी कुछ अतिरिक्त ऊर्जा को छोड़ सकता है, जो बाहरी स्रोत से प्राप्त होती है या इलेक्ट्रॉनों की तापीय गति के परिणामस्वरूप दो अलग-अलग तरीकों से प्राप्त होती है।

परमाणु की कोई भी उत्तेजित अवस्था अस्थिर होती है, और विद्युत चुम्बकीय विकिरण की मात्रा के उत्सर्जन के साथ निम्न ऊर्जा अवस्था में इसके सहज संक्रमण की संभावना हमेशा बनी रहती है। इस तरह के एक संक्रमण कहा जाता है अविरल(अविरल)। यह अनियमित और अराजक है। सभी सामान्य स्रोत स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन द्वारा प्रकाश उत्पन्न करते हैं।

यह उत्सर्जन (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) का पहला तंत्र है। समीक्षा में दो स्तरीय योजनाप्रकाश का उत्सर्जन, विकिरण का कोई प्रवर्धन प्राप्त नहीं किया जा सकता है। अवशोषित ऊर्जाएच नहीं एक ही ऊर्जा के साथ एक क्वांटम के रूप में जारी किया गयाएच नहीं और आप के बारे में बात कर सकते हैं थर्मोडायनामिक संतुलन: गैस में परमाणुओं के उत्तेजना की प्रक्रिया हमेशा उत्सर्जन की विपरीत प्रक्रियाओं द्वारा संतुलित होती है।

§2 तीन स्तरीय योजना

थर्मोडायनामिक संतुलन पर किसी पदार्थ के परमाणुओं में, प्रत्येक बाद के उत्तेजित स्तर में पिछले वाले की तुलना में कम इलेक्ट्रॉन होते हैं। यदि हम स्तर 1 और 3 के बीच संक्रमण के साथ प्रतिध्वनि में गिरने वाली आवृत्ति के साथ रोमांचक विकिरण के साथ प्रणाली पर कार्य करते हैं (योजनाबद्ध रूप से 1)→ 3), तो परमाणु इस विकिरण को अवशोषित करेंगे और स्तर 1 से स्तर 3 तक जाएंगे। यदि विकिरण की तीव्रता पर्याप्त रूप से अधिक है, तो स्तर 3 तक जाने वाले परमाणुओं की संख्या काफी महत्वपूर्ण हो सकती है, और हमने संतुलन का उल्लंघन किया है। स्तर की जनसंख्या का वितरण, स्तर 3 की जनसंख्या में वृद्धि करेगा और इसलिए स्तर 1 की जनसंख्या को कम करेगा।

ऊपरी तीसरे स्तर से, संक्रमण संभव है 3→ 1 और 3 → 2. यह पता चला कि संक्रमण 3→ 1 ऊर्जा के उत्सर्जन की ओर जाता है ई 3 -ई 1 =एच एन 3-1 , और संक्रमण 3 → 2 विकिरणकारी नहीं है: यह मध्यवर्ती स्तर 2 की ''ऊपर से'' आबादी की ओर जाता है (इस संक्रमण के दौरान पदार्थ को इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का हिस्सा दिया जाता है, इसे गर्म किया जाता है)। इस दूसरे स्तर को कहा जाता है मेटास्टेबल, और परिणामस्वरूप उस पर पहले वाले की तुलना में अधिक परमाणु होंगे। चूंकि परमाणु जमीनी स्तर 1 से ऊपरी अवस्था 3 के माध्यम से स्तर 2 पर पहुंचते हैं, और "बड़ी देरी" के साथ जमीनी स्तर पर वापस लौटते हैं, तो स्तर 1 "अपूर्ण" होता है।

नतीजतन, वहाँ है उलटा,वे। स्तर की आबादी का व्युत्क्रम वितरण। ऊर्जा स्तरों का जनसंख्या व्युत्क्रमण एक तीव्र सहायक विकिरण द्वारा निर्मित होता है जिसे कहा जाता है पंप विकिरणऔर अंततः की ओर ले जाता है प्रेरित किया(मजबूर) एक व्युत्क्रम माध्यम में फोटॉनों का गुणन।

किसी भी जनरेटर की तरह, लेजर में, जेनरेशन मोड प्राप्त करने के लिए, यह आवश्यक है प्रतिपुष्टि. एक लेजर में, दर्पणों का उपयोग करके प्रतिक्रिया को लागू किया जाता है। प्रवर्धक (सक्रिय) माध्यम दो दर्पणों के बीच रखा जाता है - समतल या अधिक बार अवतल। एक दर्पण को ठोस बनाया जाता है, दूसरे को आंशिक रूप से पारदर्शी बनाया जाता है।

पीढ़ी की प्रक्रिया के लिए "बीज" एक फोटॉन का सहज उत्सर्जन है। माध्यम में इस फोटॉन की गति के परिणामस्वरूप, यह उसी दिशा में उड़ने वाले फोटॉनों का हिमस्खलन उत्पन्न करता है। एक पारभासी दर्पण तक पहुँचने के बाद, हिमस्खलन आंशिक रूप से परिलक्षित होगा, और आंशिक रूप से दर्पण से बाहर की ओर जाएगा। दाहिने दर्पण से परावर्तन के बाद, लहर वापस चली जाती है, लगातार मजबूत होती जाती है। दूरी चलनामैं, यह बाएं दर्पण तक पहुँचता है, परावर्तित होता है और फिर से दाहिने दर्पण की ओर जाता है।

ऐसी स्थितियां केवल अक्षीय तरंगों के लिए ही निर्मित होती हैं। अन्य दिशाओं के क्वांटा सक्रिय माध्यम में संग्रहीत ऊर्जा का ध्यान देने योग्य हिस्सा लेने में सक्षम नहीं हैं।

लेज़र से निकलने वाली तरंग का अग्रभाग लगभग सपाट होता है और पूरे बीम क्रॉस सेक्शन पर उच्च स्तर की स्थानिक और लौकिक सुसंगतता होती है।

लेज़रों में, विभिन्न गैसों और गैसों के मिश्रण को सक्रिय माध्यम के रूप में उपयोग किया जाता है ( गैस लेजर), कुछ आयनों की अशुद्धियों वाले क्रिस्टल और ग्लास ( ठोस अवस्था लेसर), अर्धचालक ( सेमीकंडक्टर लेजर).

उत्तेजना के तरीके (पंपिंग सिस्टम में) सक्रिय माध्यम के प्रकार पर निर्भर करते हैं। यह या तो गैस डिस्चार्ज प्लाज्मा (गैस लेजर) में कणों की टक्कर के परिणामस्वरूप उत्तेजना ऊर्जा को स्थानांतरित करने का एक तरीका है, या विशेष स्रोतों से असंगत प्रकाश के साथ सक्रिय केंद्रों को विकिरणित करके ऊर्जा स्थानांतरित करना (ठोस-राज्य लेजर में ऑप्टिकल पंपिंग), या पी के माध्यम से कोई भी संतुलन वाहक का इंजेक्शन-एन - संक्रमण, या तो एक इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा उत्तेजना, या ऑप्टिकल पंपिंग (अर्धचालक लेजर)।

वर्तमान में, बहुत बड़ी संख्या में विभिन्न लेज़र बनाए गए हैं जो तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला (200 .) में विकिरण उत्पन्न करते हैं¸ 2 10 4 एनएम)। लेजर बहुत कम प्रकाश दालों के साथ काम करते हैं।टी " 1·10 -12 s निरंतर विकिरण भी दे सकता है। लेजर विकिरण का ऊर्जा प्रवाह घनत्व लगभग 10 10 डब्लू/सेमी 2 है (सूर्य की तीव्रता केवल 7 · 10 3 डब्ल्यू/सेमी 2 है)।

लेज़र एक ऐसा उपकरण है जो माध्यम के माइक्रोपार्टिकल्स के उत्तेजित उत्सर्जन के कारण सुसंगत विद्युत चुम्बकीय तरंगें उत्पन्न करता है, जिसमें ऊर्जा स्तरों में से एक का उच्च स्तर का उत्तेजना पैदा होता है।

लेजर - अंग्रेजी से। उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश का प्रवर्धन।

एक ऑप्टिकल क्वांटम जनरेटर पंप ऊर्जा को एक सुसंगत मोनोक्रोमैटिक ध्रुवीकृत संकीर्ण दिशा की ऊर्जा में परिवर्तित करता है। आइंस्टीन ने प्रेरित उत्सर्जन की अवधारणा पेश की। 1939 में, रूसी वैज्ञानिक फेब्रिकेंट इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि पदार्थ से गुजरते समय प्रकाश को बढ़ाना संभव है।

काम करने की स्थिति। सिद्धांत।

• - प्रेरित उत्सर्जन। जब एक फोटॉन एक उत्तेजित अणु के साथ संपर्क करता है, तो प्रकाश प्रवर्धित होता है। मजबूर संक्रमणों की संख्या प्रति सेकंड फोटॉन घटना की संख्या और उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों की संख्या पर निर्भर करती है।
• - ऊर्जा स्तरों की व्युत्क्रम जनसंख्या - एक ऐसी अवस्था जब उच्च ऊर्जा स्तर पर निचले स्तर की तुलना में अधिक कण होते हैं। सक्रिय माध्यम एक ऐसा माध्यम है जिसे व्युत्क्रम जनसंख्या की स्थिति में लाया जाता है। संतुलन की स्थिति (पंपिंग विधियों) से टीडी को हटाकर केवल एक आईएन बनाना संभव है
• 1) पारदर्शी सक्रिय मीडिया की ऑप्टिकल पंपिंग बाहरी स्रोत से प्रकाश दालों का उपयोग करती है।
• 2) गैसीय सक्रिय मीडिया के इलेक्ट्रिक डिस्चार्ज पंपिंग में इलेक्ट्रिक चार्ज का उपयोग किया जाता है।
• 3) अर्धचालक सक्रिय मीडिया के इंजेक्शन पंपिंग एल का उपयोग करता है। वर्तमान।
• 4) गैसों के मिश्रण से सक्रिय माध्यम की रासायनिक पंपिंग रासायनिक ऊर्जा का उपयोग करती है। मिश्रण के घटकों के बीच प्रतिक्रिया।

लेजर डिवाइस:

• 1) काम कर रहे तरल पदार्थ - एक ऐसा वातावरण जो बाहरी प्रभाव से सक्रिय अवस्था में लाया जाता है
• 2) पम्पिंग सिस्टम - काम कर रहे तरल पदार्थ को सक्रिय अवस्था में लाने के लिए एक उपकरण
• 3) ऑप्टिकल रेज़ोनेटर - दो समतल दर्पण एक दूसरे के सामने। कई प्रतिबिंबों के कारण, फोटॉन का हिमस्खलन जैसा उत्सर्जन होता है। जब तीव्रता एक निश्चित मूल्य तक पहुँच जाती है, तो लेजर विकिरण का उत्पादन शुरू हो जाता है।

लेजर विकिरण की विशेषताएं:

• 1) उच्च मोनोक्रोमैटिकिटी
• 2) सुसंगतता - फोटॉन के चरण अंतर की स्थिरता
• 3) 1014-1016 W/kV.cm तक उच्च तीव्रता।
• 4) कोलिमेशन
• 5) ध्रुवीकरण - एलआई केवल एक विमान में।
• 6) 10 (5 सेंट पर) वाट तक की उच्च शक्ति।

रूबी लेजर।

काम कर रहे तरल पदार्थ अल ऑक्साइड + 0.05% क्रोमियम ऑक्साइड है, पंपिंग सिस्टम ऑप्टिकल है, तरंग दैर्ध्य = 694.3 एनएम। अल में 2 ऊर्जा स्तर हैं (जमीन और उत्साहित)। टी \u003d 10 (में -8 सेंट) एस। क्रोमियम में 3 ऊर्जा स्तर (मूल, उत्तेजित, मध्यवर्ती), T = 10 (-3st पर) s होते हैं। अल अपनी ऊर्जा को क्रोमियम परमाणुओं में स्थानांतरित करता है, उत्तेजित होने में मदद करता है। क्रोमियम एक सक्रिय माध्यम है।

हीलियम-नियॉन लेजर।

कार्यशील द्रव 10:1 के अनुपात में हीलियम और नियॉन गैसों का मिश्रण है। दबाव 150 Pa। नियॉन के परमाणु - उत्सर्जक, हीलियम - सहायक। पम्पिंग सिस्टम - एल। स्राव होना। तरंग दैर्ध्य = 632.8 एनएम।

एक फोटॉन को अवशोषित करके, एक परमाणु निम्न ऊर्जा स्तर से उच्च स्तर पर चला जाता है। निचले स्तर पर स्वतःस्फूर्त संक्रमण के दौरान, एक परमाणु एक फोटॉन का उत्सर्जन करता है। किसी विशेष रासायनिक तत्व के परमाणुओं के लिए, ऊर्जा स्तरों के बीच केवल बहुत विशिष्ट संक्रमणों की अनुमति है। नतीजतन, परमाणु केवल उन फोटॉनों को अवशोषित करते हैं जिनकी ऊर्जा एक परमाणु के एक ऊर्जा स्तर से दूसरे ऊर्जा स्तर में संक्रमण की ऊर्जा से बिल्कुल मेल खाती है। नेत्रहीन, यह व्यक्तिगत अवशोषण स्पेक्ट्रा के प्रत्येक रासायनिक तत्व के अस्तित्व में प्रकट होता है जिसमें रंग बैंड का एक निश्चित सेट होता है।

निम्न ऊर्जा स्तर में संक्रमण के दौरान एक परमाणु द्वारा उत्सर्जित फोटॉन में भी एक निश्चित ऊर्जा होती है, जो ऊर्जा स्तरों के बीच ऊर्जा अंतर के अनुरूप होती है। इस कारण से, परमाणु केवल कुछ निश्चित आवृत्तियों की प्रकाश तरंगों का उत्सर्जन करने में सक्षम होते हैं। यह प्रभाव फ्लोरोसेंट लैंप के संचालन में स्पष्ट रूप से प्रकट होता है, जिसका उपयोग अक्सर स्ट्रीट विज्ञापन में किया जाता है। इस तरह के दीपक की गुहा किसी प्रकार की अक्रिय गैस से भरी होती है, जिसके परमाणु पराबैंगनी विकिरण से उत्तेजित होते हैं, जो तब होता है जब दीपक खोल की आंतरिक सतह को कवर करने वाली एक विशेष परत के माध्यम से विद्युत प्रवाह पारित किया जाता है। जमीनी अवस्था में लौटने पर, गैस परमाणु एक निश्चित रंग की चमक देते हैं। तो, उदाहरण के लिए, नियॉन लाल चमक देता है, और आर्गन हरी चमक देता है।

उच्च ऊर्जा स्तर से निचले स्तर तक परमाणुओं के सहज (सहज) संक्रमण यादृच्छिक होते हैं। इस मामले में उत्पन्न विकिरण में लेजर विकिरण के गुण नहीं होते हैं: प्रकाश पुंजों की समानता, सुसंगतता (समय और स्थान में दोलनों के आयाम और चरणों की संगति), मोनोक्रोम (सख्त मोनोक्रोमैटिकिटी)। हालांकि, 1917 में वापस, अल्बर्ट आइंस्टीन ने कम ऊर्जा स्तर पर सहज संक्रमण के साथ-साथ प्रेरित संक्रमणों के अस्तित्व की भविष्यवाणी की। इसके बाद, लेजर के डिजाइन में इस संभावना को महसूस किया गया। इस घटना का सार यह है कि एक प्रकाश प्रवाह का एक फोटॉन, अपने रास्ते में एक उत्साहित परमाणु से मिलता है, एक फोटॉन को उसमें से ठीक उसी विशेषताओं के साथ बाहर निकालता है।

नतीजतन, समान फोटॉन की संख्या दोगुनी हो जाती है। नवगठित फोटॉन, बदले में, एक और उत्साहित परमाणु से बाहर निकलकर एक और फोटॉन उत्पन्न करने में सक्षम है। इस प्रकार, समान फोटॉनों की संख्या हिमस्खलन की तरह बढ़ती है। इस मामले में उत्पन्न विकिरण को प्रकाश प्रवाह, सुसंगतता और मोनोक्रोम के बीम के उच्च स्तर की समानता की विशेषता है, क्योंकि इसमें केवल वे फोटॉन होते हैं जिनमें समान ऊर्जा और गति की दिशा होती है।