Mari kita mengkarakterisasi proses kuantum emisi dan penyerapan foton oleh atom. Foton dipancarkan hanya oleh atom yang tereksitasi. Dengan memancarkan foton, atom kehilangan energi, dan besarnya kehilangan ini terkait dengan frekuensi foton dengan hubungan (3.12.7). Jika sebuah atom, karena alasan tertentu (misalnya, karena tumbukan dengan atom lain) masuk ke keadaan tereksitasi, keadaan ini tidak stabil. Oleh karena itu, atom kembali ke keadaan energi yang lebih rendah dengan memancarkan foton. Radiasi semacam itu disebut spontan atau spontan. Jadi, emisi spontan terjadi tanpa aksi eksternal dan hanya disebabkan oleh ketidakstabilan keadaan tereksitasi. Atom yang berbeda secara spontan memancar secara independen satu sama lain dan menghasilkan foton yang merambat ke berbagai arah. Selain itu, sebuah atom dapat tereksitasi ke keadaan yang berbeda, sehingga memancarkan foton dengan frekuensi yang berbeda. Oleh karena itu, foton ini tidak koheren.

Jika atom berada dalam medan cahaya, maka yang terakhir dapat menyebabkan transisi baik dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi, disertai dengan penyerapan foton, dan sebaliknya dengan emisi foton. Radiasi yang disebabkan oleh tumbukan pada atom dari gelombang elektromagnetik eksternal dengan frekuensi resonansi, yang memenuhi persamaan (3.12.7), disebut diinduksi atau dipaksa. Berbeda dengan emisi spontan, dua foton berpartisipasi dalam setiap tindakan emisi terstimulasi. Salah satunya menyebar dari sumber pihak ketiga dan bekerja pada atom, dan yang lainnya dipancarkan oleh atom sebagai akibat dari efek ini. Sebuah fitur karakteristik dari emisi terstimulasi adalah kebetulan yang tepat dari keadaan foton yang dipancarkan dengan keadaan eksternal. Kedua foton memiliki vektor gelombang dan polarisasi yang sama, kedua foton juga memiliki frekuensi dan fase yang sama. Ini berarti bahwa foton emisi terstimulasi selalu koheren dengan foton yang menyebabkan emisi ini. Atom di medan cahaya juga dapat menyerap foton, akibatnya atom tereksitasi. Penyerapan resonansi foton oleh atom selalu merupakan proses induksi yang terjadi hanya di bidang radiasi eksternal. Dalam setiap tindakan penyerapan, satu foton menghilang, dan atom berpindah ke keadaan dengan energi yang lebih tinggi.

Proses apa yang akan berlaku dalam interaksi atom dengan radiasi, emisi atau penyerapan foton, akan tergantung pada jumlah atom dengan energi yang lebih tinggi atau lebih rendah.

Einstein menerapkan metode probabilistik untuk menggambarkan proses emisi spontan dan terstimulasi. Berdasarkan pertimbangan termodinamika, ia membuktikan bahwa peluang transisi terstimulasi yang disertai dengan radiasi harus sama dengan peluang transisi terstimulasi yang disertai dengan penyerapan cahaya. Dengan demikian, transisi paksa dapat terjadi dengan probabilitas yang sama baik di satu arah maupun di arah lainnya.

Sekarang mari kita perhatikan banyak atom identik dalam medan cahaya, yang akan kita asumsikan sebagai isotropik dan tidak terpolarisasi. (Kemudian pertanyaan tentang ketergantungan koefisien yang diperkenalkan di bawah ini pada polarisasi dan arah radiasi menghilang.) Membiarkan dan menjadi jumlah atom dalam keadaan dengan energi dan , Dan keadaan ini dapat diambil oleh salah satu dari jumlah keadaan yang dapat diterima, tetapi . dan disebut populasi tingkat energi. Jumlah transisi atom dari keadaan ke keadaan per satuan waktu selama emisi spontan akan sebanding dengan jumlah atom dalam keadaan:

Jumlah transisi atom antara keadaan yang sama selama emisi terstimulasi juga akan sebanding dengan populasi P - tingkat th, tetapi juga kerapatan energi spektral radiasi di bidang di mana atom-atomnya:

Banyaknya transisi dari t - wah P - tingkat karena interaksi dengan radiasi

Besaran tersebut disebut koefisien Einstein.

Kesetimbangan antara materi dan radiasi akan tercapai dengan syarat bahwa jumlah atom yang melakukan transisi dari keadaan per satuan waktu P menjadi negara t akan sama dengan jumlah atom yang melakukan transisi dalam arah yang berlawanan:

Seperti yang telah disebutkan, probabilitas transisi paksa dalam satu arah dan yang lain adalah sama. Jadi .

Kemudian dari (3.16.4) kita dapat menemukan rapat energi radiasi

Distribusi kesetimbangan atom atas keadaan dengan energi yang berbeda ditentukan oleh hukum Boltzmann

Kemudian dari (3.16.5) kita mendapatkan

Yang sesuai dengan rumus Planck (3.10.23). Kesepakatan ini mengarah pada kesimpulan tentang adanya emisi terstimulasi.

Laser.

Pada 50-an abad kedua puluh, perangkat diciptakan, ketika melewati gelombang elektromagnetik yang diperkuat karena radiasi yang dirangsang. Pertama, generator dibuat yang bekerja dalam rentang gelombang sentimeter, dan beberapa saat kemudian perangkat serupa dibuat yang bekerja dalam rentang optik. Itu dinamai huruf pertama dari nama Inggris Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplifikasi cahaya oleh emisi terstimulasi) - laser. Laser juga disebut generator kuantum optik.

Agar intensitas radiasi meningkat selama perjalanan materi, perlu bahwa untuk setiap pasangan keadaan atom, transisi antara yang terjadi dengan emisi dan penyerapan foton, populasi dari keadaan energi yang lebih tinggi lebih besar daripada populasi dari keadaan energi yang lebih rendah. Ini berarti bahwa kesetimbangan termal harus terganggu. Dikatakan bahwa suatu zat di mana keadaan energi yang lebih tinggi dari atom lebih banyak penduduknya daripada keadaan energi yang lebih rendah memiliki inversi populasi.

Melewati materi dengan inversi populasi dua keadaan atom, radiasi diperkaya dengan foton, yang menyebabkan transisi antara keadaan atom ini. Akibatnya, amplifikasi radiasi yang koheren terjadi pada frekuensi tertentu, ketika emisi induksi foton mendominasi penyerapannya selama transisi atom antara keadaan dengan inversi populasi. Suatu zat dengan inversi populasi disebut medium aktif.

Untuk menciptakan keadaan dengan inversi populasi, perlu untuk mengeluarkan energi, menghabiskannya untuk mengatasi proses yang mengembalikan distribusi keseimbangan. Efek pada suatu zat disebut dipompa. Energi pompa selalu berasal dari sumber eksternal ke media aktif.

Ada berbagai metode pemompaan. Untuk membuat inversi populasi tingkat dalam laser, metode tiga tingkat paling sering digunakan. Mari kita pertimbangkan esensi dari metode ini menggunakan laser ruby ​​​​sebagai contoh.

Ruby adalah oksida aluminium di mana beberapa atom aluminium digantikan oleh atom kromium. Spektrum energi atom (ion) kromium mengandung tiga tingkat (Gbr. 3.16.1) dengan energi , dan . Level atas sebenarnya adalah pita yang cukup lebar yang dibentuk oleh serangkaian level yang berjarak dekat.

R

Fitur utama dari sistem tiga tingkat adalah bahwa level 2, di bawah level 3, harus tingkat metastabil. Ini berarti bahwa transisi dalam sistem seperti itu dilarang oleh hukum mekanika kuantum. Larangan ini dikaitkan dengan pelanggaran aturan pemilihan bilangan kuantum untuk transisi semacam itu. Aturan pemilihan bukanlah aturan non-melompat yang mutlak. Namun, pelanggaran mereka untuk beberapa transisi kuantum secara signifikan mengurangi kemungkinannya. Begitu dalam keadaan metastabil seperti itu, atom tetap berada di dalamnya. Pada saat yang sama, masa hidup atom dalam keadaan metastabil () adalah ratusan ribu kali lebih besar daripada masa hidup atom dalam keadaan tereksitasi biasa (). Hal ini memungkinkan untuk mengakumulasi atom-atom yang tereksitasi dengan energi. Oleh karena itu, populasi terbalik level 1 dan 2 dibuat.

Oleh karena itu, prosesnya berlangsung sebagai berikut. Di bawah aksi lampu hijau dari lampu flash, ion kromium berpindah dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Transisi sebaliknya terjadi dalam dua tahap. Pada tahap pertama, ion yang tereksitasi menyerahkan sebagian energinya ke kisi kristal dan beralih ke keadaan metastabil. Populasi terbalik dari negara bagian ini dibuat. Jika sekarang foton dengan panjang gelombang 694,3 nm muncul di ruby ​​​​yang telah dibawa ke keadaan seperti itu (misalnya, sebagai akibat dari transisi spontan dari level ke ), maka emisi yang diinduksi akan mengarah pada perkalian dari foton, persis menyalin aslinya (koheren). Proses ini memiliki karakter seperti longsoran salju dan menyebabkan munculnya sejumlah besar hanya foton yang merambat pada sudut kecil terhadap sumbu laser. Foton seperti itu, yang berulang kali dipantulkan dari cermin rongga optik laser, menempuh jalur yang panjang di dalamnya dan, akibatnya, bertemu dengan ion kromium yang tereksitasi berkali-kali, menyebabkan transisi yang diinduksi. Fluks foton kemudian merambat balok sempit,

Laser Ruby beroperasi dalam mode berdenyut. Pada tahun 1961, laser gas pertama yang didasarkan pada campuran helium dan neon dibuat, beroperasi dalam mode kontinu. Kemudian laser semikonduktor diciptakan. Saat ini, daftar bahan laser mencakup banyak lusinan zat padat dan gas.

Sifat radiasi laser.

Radiasi laser memiliki sifat yang tidak dimiliki oleh radiasi dari sumber konvensional (non-laser).

1. Radiasi laser memiliki tingkat monokromatisitas yang tinggi. Interval panjang gelombang radiasi tersebut adalah ~ 0,01 nm.

2. Radiasi laser dicirikan oleh koherensi temporal dan spasial yang tinggi. Waktu koherensi radiasi tersebut mencapai detik (panjang koherensi berada pada orde m), yang kira-kira kali lebih lama dari waktu koherensi sumber konvensional. Koherensi spasial di outlet laser dipertahankan di seluruh penampang balok. Dengan bantuan laser, dimungkinkan untuk memperoleh cahaya yang volume koherensinya beberapa kali lebih besar daripada volume koherensi gelombang cahaya dengan intensitas yang sama yang diperoleh dari sumber non-laser yang paling monokromatik. Oleh karena itu, radiasi laser digunakan dalam holografi, di mana radiasi dengan tingkat koherensi tinggi diperlukan.

Proses pembangkitan dan rekombinasi pembawa muatan tidak dapat dipisahkan satu sama lain, meskipun isinya berlawanan. Energi selama rekombinasi dapat dilepaskan baik dalam bentuk foton (rekombinasi radiasi), atau dalam bentuk fonon (rekombinasi nonradiatif).

Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah jenis perangkat telah dikembangkan yang mengubah sinyal listrik menjadi cahaya. Prinsip operasi mereka didasarkan pada apa yang disebut radiasi rekombinasi - radiasi kuanta cahaya selama tindakan rekombinasi langsung dari pasangan elektron-lubang.

Untuk rekombinasi yang intens, perlu untuk secara bersamaan memiliki kerapatan elektron yang tinggi di pita konduksi dan kerapatan tingkat bebas (lubang) yang tinggi di pita valensi.

Kondisi seperti itu dibuat pada injeksi elektron tingkat tinggi ke dalam semikonduktor lubang dengan konsentrasi akseptor yang tinggi.

Jelas bahwa Agar rekombinasi radiasi yang sesuai dengan transisi langsung terjadi, semikonduktor harus memiliki struktur pita yang sesuai: ujung pita valensi dan pita konduksi harus sesuai dengan nilai yang sama dari vektor gelombang .

Saat ini, sejumlah senyawa semikonduktor tipe A III B V, A II B VI, serta sistem biner (SiC) dan terner lainnya (seperti GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe, dll.) telah dipelajari, di mana p-n- junction yang memancarkan getaran ringan saat dihidupkan ke arah depan. Sumber cahaya semikonduktor semacam itu bisa sangat berguna untuk berbagai aplikasi, seperti perangkat penunjuk.

Dengan mendoping semikonduktor dengan pengotor tertentu, dimungkinkan untuk mengubah energi rekombinasi dan, akibatnya, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan karena pita pengotor. Jadi, p-n junction pada GaP memberikan dua emisi maksimum: 5650 dan 7000 . Sambungan P-n pada GaAsP memberikan pendaran dalam kisaran 6000 hingga 7000 . Pendaran dalam rentang panjang gelombang 5600-6300 dapat diperoleh dengan sambungan silikon karbida. Operasi dalam mode rekombinasi radiasi terjadi pada kerapatan arus yang relatif tinggi (beberapa ratus ampere per sentimeter persegi) dengan hasil kuantum sekitar 0,5-1,5%.

Pada kepadatan arus yang lebih tinggi melebihi 500 a / cm2 dan mencapai beberapa ribu a/cm2, fenomena kualitatif baru muncul -

Dengan tegangan eksternal di persimpangan mendekati perbedaan potensial kontak (yang sesuai dengan rapat arus yang sangat tinggi), berikut ini terjadi: ditelepon inversi populasi . Kepadatan level yang ditempati oleh elektron dalam pita konduksi menjadi lebih tinggi daripada kepadatan level yang ditempati oleh elektron di dekat bagian atas pita valensi.

Nilai rapat arus dimana terjadi inversi populasi disebut arus ambang.

Pada arus di bawah ambang batas, tindakan rekombinasi acak terjadi; disebut emisi spontan.

Pada arus di atas ambang batas, kuantum cahaya yang melewati semikonduktor menyebabkan emisi terstimulasi - rekombinasi simultan dari sejumlah pembawa muatan. Dalam hal ini, amplifikasi atau pembangkitan terjadi koheren getaran ringan, yaitu getaran yang memiliki fase yang sama.

Jadi, pada rapat arus yang melebihi nilai ambang batas, beberapa jenis sambungan p-n semikonduktor dapat menjadi sumber laser radiasi. Keuntungan dari laser semikonduktor adalah tidak memerlukan pemompaan optik. Di sini, peran pemompaan optik dilakukan oleh arus injeksi yang menciptakan populasi terbalik. Laser semikonduktor dapat memiliki efisiensi lebih dari 50% dan sangat menguntungkan dibandingkan jenis laser lainnya bila digunakan dalam operasi berkelanjutan.

Bahan yang paling umum untuk sambungan pn laser adalah galium arsenida. Menggunakan p-n-junction pada galium arsenida dalam mode kontinu, dimungkinkan untuk memperoleh satuan watt radiasi hampir monokromatik dengan panjang gelombang 8400 pada suhu nitrogen cair. Pada suhu kamar, panjang gelombang meningkat menjadi 9000 .

Populasi terbalik dalam semikonduktor dapat dibuat tidak hanya dengan injeksi, tetapi juga dengan metode lain, misalnya, eksitasi elektron menggunakan berkas elektron.

§ 6 Penyerapan.

Emisi spontan dan terstimulasi

Dalam kondisi normal (tanpa adanya pengaruh eksternal), sebagian besar elektron dalam atom berada pada tingkat tidak tereksitasi terendah E 1 , yaitu sebuah atom memiliki persediaan energi internal minimum, tingkat yang tersisa E 2 , E 3 ....E n sesuai dengan keadaan tereksitasi, memiliki populasi elektron minimum atau bebas sama sekali. Jika atom dalam keadaan dasar dengan E 1 , kemudian di bawah aksi radiasi eksternal, transisi paksa ke keadaan tereksitasi dengan E 2. Probabilitas transisi tersebut sebanding dengan kerapatan radiasi yang menyebabkan transisi ini.

Sebuah atom, yang berada dalam keadaan tereksitasi 2, dapat, setelah beberapa waktu, secara spontan secara spontan (tanpa pengaruh eksternal) masuk ke keadaan dengan energi yang lebih rendah, mengeluarkan energi berlebih dalam bentuk radiasi elektromagnetik, yaitu. memancarkan foton.

Proses pelepasan foton oleh atom yang tereksitasi tanpa pengaruh eksternal disebut emisi spontan (spontan). Semakin besar kemungkinan transisi spontan, semakin pendek umur rata-rata atom dalam keadaan tereksitasi. Karena transisi spontan saling tidak berhubungan, maka emisi spontan tidak koheren.

Jika sebuah atom dalam keadaan tereksitasi 2 terkena radiasi eksternal dengan frekuensi yang memuaskanhn = E 2 - E 1 , maka terjadi transisi paksa (induksi) ke keadaan dasar 1 dengan emisi foton dengan energi yang samahn = E 2 - E satu . Dalam transisi seperti itu, radiasi oleh atom terjadi tambahan ke foton di mana transisi terjadi. Radiasi yang dihasilkan dari paparan eksternal disebut dipaksa. Jadi, dalam proses emisi terstimulasi dua foton terlibat: foton primer yang menyebabkan emisi radiasi oleh atom yang tereksitasi, dan foton sekunder yang dipancarkan oleh atom. Foton sekunder tidak bisa dibedakan dari primer.

Einstein dan Dirac membuktikan bahwa pancaran terstimulasi identik dengan pancaran rangsangan: mereka memiliki fase, frekuensi, polarisasi, dan arah rambat yang sama.Þ Emisi terstimulasi sangat koheren dengan emisi paksa.

Foton yang dipancarkan, bergerak dalam satu arah dan bertemu dengan atom tereksitasi lainnya, merangsang transisi induksi lebih lanjut, dan jumlah foton bertambah seperti longsoran salju. Namun, seiring dengan emisi terstimulasi, penyerapan akan terjadi. Oleh karena itu, untuk memperkuat radiasi yang datang, jumlah foton dalam emisi terstimulasi (yang sebanding dengan populasi keadaan tereksitasi) perlu melebihi jumlah foton yang diserap. Dalam sistem, atom berada dalam kesetimbangan termodinamika, penyerapan akan menang atas emisi terstimulasi, yaitu. Radiasi insiden akan dilemahkan saat melewati materi.

Agar media memperkuat insiden radiasi di atasnya, perlu untuk membuat keadaan sistem yang tidak seimbang, di mana jumlah atom dalam keadaan tereksitasi lebih besar dari pada keadaan dasar. Keadaan seperti itu disebut menyatakan dengan inversi populasi. Proses menciptakan keadaan materi yang tidak seimbang disebut dipompa. Pemompaan dapat dilakukan dengan metode optik, listrik dan lainnya.

Pada media dengan populasi terbalik, emisi terstimulasi dapat melebihi penyerapan, yaitu. radiasi datang akan diperkuat ketika melewati medium (media ini disebut aktif). Untuk media ini dalam hukum BouguerSaya = Saya 0e- sebuahx , koefisien penyerapan a - negatif.

§ 7. Laser - generator kuantum optik

Pada awal 60-an, generator kuantum dari jangkauan optik dibuat - laser “ Light Amplifikasi oleh Merangsang Emisi Radiasi ” - amplifikasi cahaya dengan emisi radiasi yang diinduksi. Sifat radiasi laser: monokromatisitas tinggi (frekuensi cahaya sangat tinggi), orientasi spasial yang tajam, kecerahan spektral yang besar.

Menurut hukum mekanika kuantum, energi elektron dalam atom tidak sembarangan: ia hanya dapat memiliki rentang nilai (diskrit) tertentu E 1, E 2, E 3 ... E n ditelepon tingkat energi. Nilai-nilai ini berbeda untuk atom yang berbeda. Himpunan nilai energi yang diizinkan disebut spektrum energi atom. Dalam kondisi normal (tanpa adanya pengaruh eksternal), sebagian besar elektron dalam atom berada pada tingkat tereksitasi terendah E 1, yaitu. sebuah atom memiliki persediaan energi internal minimum; level lain E 2 , E 3 ..... E n sesuai dengan energi atom yang lebih tinggi dan disebut bersemangat.

Selama transisi elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya, sebuah atom dapat memancarkan atau menyerap gelombang elektromagnetik, yang frekuensinya: n m n \u003d (E m - E n) h,

dimana h - Konstanta Planck ( h = 6,62 10 -34 J s);

E n - akhir, E m - Tingkat pertama.

Sebuah atom yang tereksitasi dapat melepaskan sebagian dari kelebihan energinya, yang diterima dari sumber eksternal atau diperoleh darinya sebagai akibat dari gerakan termal elektron, dengan dua cara yang berbeda.

Setiap keadaan tereksitasi atom tidak stabil, dan selalu ada kemungkinan transisi spontan ke keadaan energi yang lebih rendah dengan emisi kuantum radiasi elektromagnetik. Transisi seperti ini disebut spontan(spontan). Itu tidak teratur dan kacau. Semua sumber biasa menghasilkan cahaya dengan emisi spontan.

Ini adalah mekanisme pertama emisi (radiasi elektromagnetik). Dalam ulasan skema dua tingkat emisi cahaya, tidak ada amplifikasi radiasi yang dapat dicapai. Energi yang diserap h n dilepaskan sebagai kuantum dengan energi yang sama h n dan Anda dapat berbicara tentang kesetimbangan termodinamika: proses eksitasi atom dalam gas selalu diseimbangkan dengan proses kebalikan dari emisi.

2 Skema tiga tingkat

Dalam atom suatu zat pada kesetimbangan termodinamika, setiap tingkat tereksitasi berikutnya mengandung lebih sedikit elektron daripada yang sebelumnya. Jika kita bekerja pada sistem dengan radiasi eksitasi dengan frekuensi yang jatuh ke dalam resonansi dengan transisi antara level 1 dan 3 (secara skema 1→ 3), maka atom akan menyerap radiasi ini dan berpindah dari level 1 ke level 3. Jika intensitas radiasi cukup tinggi, maka jumlah atom yang telah lolos ke level 3 bisa sangat signifikan, dan kami, telah melanggar keseimbangan distribusi populasi tingkat, akan meningkatkan populasi tingkat 3 dan dengan demikian mengurangi populasi tingkat 1.

Dari tingkat ketiga atas, transisi dimungkinkan 3→ 1 dan 3 → 2. Ternyata transisi 3→ 1 mengarah ke emisi energi E 3 -E 1 = h n 3-1 , dan transisi 3 → 2 tidak radiatif: ia mengarah ke populasi "dari atas" pada tingkat menengah 2 (bagian dari energi elektron dilepaskan ke zat selama transisi ini, memanaskannya). Tingkat kedua ini disebut metastabil, dan sebagai hasilnya akan ada lebih banyak atom di atasnya daripada yang pertama. Karena atom tiba di level 2 dari level dasar 1 melalui status atas 3, dan kembali ke level dasar dengan "penundaan besar", maka level 1 "habis".

Akibatnya, ada inversi, itu. distribusi terbalik terbalik dari populasi tingkat. Pembalikan populasi tingkat energi diciptakan oleh radiasi tambahan yang intens yang disebut radiasi pompa dan akhirnya mengarah ke diinduksi(dipaksa) perkalian foton dalam media terbalik.

Seperti pada generator apa pun, dalam laser, untuk mendapatkan mode pembangkitan, perlu Masukan. Dalam laser, umpan balik diimplementasikan menggunakan cermin. Media penguat (aktif) ditempatkan di antara dua cermin - datar atau lebih sering cekung. Satu cermin dibuat padat, yang lain sebagian transparan.

"Benih" untuk proses generasi adalah emisi spontan foton. Sebagai akibat dari gerakan foton ini dalam medium, menghasilkan longsoran foton yang terbang ke arah yang sama. Setelah mencapai cermin tembus pandang, longsoran salju akan dipantulkan sebagian, dan sebagian akan melewati cermin ke luar. Setelah refleksi dari cermin kanan, gelombang kembali, terus tumbuh lebih kuat. Berjalan jauhaku, mencapai cermin kiri, dipantulkan dan sekali lagi bergegas ke cermin kanan.

Kondisi seperti itu dibuat hanya untuk gelombang aksial. Kuanta dari arah lain tidak dapat mengambil bagian nyata dari energi yang tersimpan dalam media aktif.

Gelombang yang muncul dari laser memiliki bagian depan yang hampir datar dan tingkat koherensi spasial dan temporal yang tinggi di seluruh penampang balok.

Dalam laser, berbagai gas dan campuran gas digunakan sebagai media aktif ( laser gas), kristal dan gelas dengan pengotor ion tertentu ( laser keadaan padat), semikonduktor ( laser semikonduktor).

Metode eksitasi (dalam sistem pemompaan) tergantung pada jenis media aktif. Ini adalah metode mentransfer energi eksitasi sebagai akibat dari tabrakan partikel dalam plasma pelepasan gas (laser gas), atau mentransfer energi dengan menyinari pusat aktif dengan cahaya tidak koheren dari sumber khusus (pemompaan optik dalam laser solid-state), atau injeksi pembawa nonequilibrium melalui p- n - transisi, baik eksitasi oleh berkas elektron, atau pemompaan optik (laser semikonduktor).

Saat ini, sejumlah besar laser berbeda telah dibuat yang menghasilkan radiasi dalam rentang panjang gelombang yang luas (200 .).¸ 2 10 4 nm). Laser beroperasi dengan pulsa cahaya yang sangat pendek. t " 1·10 -12 s juga dapat memberikan radiasi kontinu. Kerapatan fluks energi radiasi laser adalah sekitar 10 10 W/cm 2 (intensitas Matahari hanya 7·10 3 W/cm 2).

Laser adalah perangkat yang menghasilkan gelombang elektromagnetik yang koheren karena emisi terstimulasi dari mikropartikel medium, di mana tingkat eksitasi tinggi dari salah satu tingkat energi dibuat.

LASER. - dari bahasa Inggris. amplifikasi cahaya dengan emisi terstimulasi.

Generator kuantum optik mengubah energi pompa menjadi energi arah sempit terpolarisasi monokromatik yang koheren. Einstein memperkenalkan konsep emisi terstimulasi. Pada tahun 1939, ilmuwan Rusia Fabrikant sampai pada kesimpulan tentang kemungkinan amplifikasi cahaya ketika melewati materi.

Kondisi kerja. Prinsip.

• - emisi terstimulasi. Ketika foton berinteraksi dengan molekul tereksitasi, cahaya diperkuat. Jumlah transisi paksa tergantung pada jumlah foton yang datang per detik dan jumlah elektron yang tereksitasi.
• - populasi terbalik tingkat energi - keadaan ketika ada lebih banyak partikel pada tingkat energi yang lebih tinggi daripada yang lebih rendah. Medium aktif adalah medium yang dibawa ke keadaan populasi terbalik. Dimungkinkan untuk membuat IN hanya dengan menghilangkan TD dari keadaan setimbang (metode pemompaan)
• 1) pemompaan optik media aktif transparan menggunakan pulsa cahaya dari sumber eksternal.
• 2) Pemompaan debit listrik media aktif gas menggunakan muatan listrik.
• 3) pemompaan injeksi media aktif semikonduktor menggunakan el. saat ini.
• 4) pemompaan kimia dari media aktif dari campuran gas menggunakan energi kimia. reaksi antar komponen campuran.

Perangkat laser:

• 1) fluida kerja - lingkungan yang dibawa ke keadaan aktif oleh pengaruh eksternal
• 2) sistem pemompaan - perangkat untuk membawa fluida kerja ke keadaan aktif
• 3) resonator optik - dua cermin datar saling berhadapan. Karena beberapa refleksi, emisi foton seperti longsoran terjadi. Ketika intensitas mencapai nilai tertentu, generasi radiasi laser dimulai.

Fitur radiasi laser:

• 1) monokromatisitas tinggi
• 2) koherensi - keteguhan perbedaan fase foton
• 3) intensitas tinggi hingga 1014-1016 W/kV.cm.
• 4) kolimasi
• 5) polarisasi - LI hanya dalam satu bidang.
• 6) daya tinggi hingga 10 (pada 5 st) watt.

laser rubi.

Fluida kerjanya adalah Al oksida + 0,05% kromium oksida, sistem pemompaannya bersifat optik, panjang gelombang = 694,3 nm. Al memiliki 2 tingkat energi (dasar dan tereksitasi). T \u003d 10 (dalam -8 st) s. Chromium memiliki 3 tingkat energi (dasar, tereksitasi, menengah), T = 10 (pada -3) s. Al mentransfer energinya ke atom kromium, membantu menjadi bersemangat. Kromium adalah media aktif.

Laser helium-neon.

Fluida kerja adalah campuran gas helium dan neon dengan perbandingan 10:1. Tekanan 150 Pa. Atom neon - memancarkan, helium - bantu. Sistem pemompaan - el. memulangkan. Panjang gelombang = 632,8 nm.

Dengan menyerap foton, atom bergerak dari tingkat energi yang lebih rendah ke yang lebih tinggi. Selama transisi spontan ke tingkat yang lebih rendah, sebuah atom memancarkan foton. Untuk atom dari unsur kimia tertentu, hanya transisi yang sangat spesifik antara tingkat energi yang diperbolehkan. Akibatnya, atom hanya menyerap foton yang energinya sama persis dengan energi transisi atom dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Secara visual, ini dimanifestasikan dalam keberadaan setiap unsur kimia dari spektrum serapan individu yang mengandung serangkaian pita warna tertentu.

Foton yang dipancarkan oleh atom selama transisi ke tingkat energi yang lebih rendah juga memiliki energi yang sangat pasti, sesuai dengan perbedaan energi antara tingkat energi. Karena alasan ini, atom hanya mampu memancarkan gelombang cahaya dengan frekuensi tertentu. Efek ini dimanifestasikan dengan jelas dalam pengoperasian lampu neon, yang sering digunakan dalam iklan jalanan. Rongga lampu semacam itu diisi dengan semacam gas inert, yang atom-atomnya tereksitasi oleh radiasi ultraviolet, yang terjadi ketika arus listrik dilewatkan melalui lapisan khusus yang menutupi permukaan bagian dalam cangkang lampu. Kembali ke keadaan dasar, atom gas memberikan cahaya dengan warna tertentu. Jadi, misalnya, neon memberi cahaya merah, dan argon memberi cahaya hijau.

Transisi spontan (spontan) atom dari tingkat energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah adalah acak. Radiasi yang dihasilkan dalam hal ini tidak memiliki sifat radiasi laser: paralelisme berkas cahaya, koherensi (konsistensi amplitudo dan fase osilasi dalam ruang dan waktu), monokrom (monokromatisitas ketat). Namun, pada tahun 1917, Albert Einstein meramalkan keberadaan transisi yang diinduksi bersama dengan transisi spontan ke tingkat energi yang lebih rendah. Selanjutnya, kemungkinan ini diwujudkan dalam desain laser. Inti dari fenomena ini adalah bahwa sebuah foton dari fluks cahaya, yang bertemu dengan atom yang tereksitasi dalam perjalanannya, merobohkan foton darinya dengan karakteristik yang persis sama.

Akibatnya, jumlah foton identik menjadi dua kali lipat. Foton yang baru terbentuk, pada gilirannya, mampu menghasilkan foton lain dengan menjatuhkannya dari atom lain yang tereksitasi. Dengan demikian, jumlah foton identik tumbuh seperti longsoran salju. Radiasi yang dihasilkan dalam hal ini dicirikan oleh derajat paralelisme yang tinggi dari berkas fluks cahaya, koherensi, dan monokrom, karena hanya berisi foton yang memiliki energi dan arah gerak yang sama.