მოდით დავახასიათოთ ატომების მიერ ფოტონების ემისიის და შთანთქმის კვანტური პროცესები. ფოტონები გამოიყოფა მხოლოდ აღგზნებული ატომებით. ფოტონის გამოსხივებით ატომი კარგავს ენერგიას და ამ დანაკარგის სიდიდე დაკავშირებულია ფოტონის სიხშირესთან მიმართებით (3.12.7). თუ ატომი რაიმე მიზეზით (მაგალითად, სხვა ატომთან შეჯახების გამო) გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში, ეს მდგომარეობა არასტაბილურია. ამიტომ, ატომი უბრუნდება დაბალი ენერგიის მდგომარეობას ფოტონის გამოსხივებით. ასეთ გამოსხივებას ე.წ სპონტანურიან სპონტანური.ამრიგად, სპონტანური გამოსხივება ხდება გარეგანი მოქმედების გარეშე და განპირობებულია მხოლოდ აღგზნებული მდგომარეობის არასტაბილურობით. სხვადასხვა ატომები სპონტანურად ასხივებენ ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად და წარმოქმნიან ფოტონებს, რომლებიც მრავლდებიან სხვადასხვა მიმართულებით. გარდა ამისა, ატომი შეიძლება აღგზნდეს სხვადასხვა მდგომარეობაში, ამიტომ ის ასხივებს სხვადასხვა სიხშირის ფოტონებს. ამიტომ, ეს ფოტონები არათანმიმდევრულია.

თუ ატომები სინათლის ველშია, მაშინ ამ უკანასკნელმა შეიძლება გამოიწვიოს გადასვლები როგორც ქვედა დონიდან უფრო მაღალზე, რასაც თან ახლავს ფოტონის შთანთქმა და პირიქით ფოტონის გამოსხივება. რეზონანსული სიხშირის მქონე გარე ელექტრომაგნიტური ტალღის ატომზე ზემოქმედებით გამოწვეულ გამოსხივებას, რომლის თანასწორობა (3.12.7) დაკმაყოფილებულია, ე.წ. გამოწვეულიან იძულებული.სპონტანური ემისიისგან განსხვავებით, სტიმულირებული ემისიის თითოეულ მოქმედებაში მონაწილეობს ორი ფოტონი. ერთი მათგანი გავრცელდება მესამე მხარის წყაროდან და მოქმედებს ატომზე, მეორე კი ამ ეფექტის შედეგად გამოყოფს ატომს. სტიმულირებული ემისიის დამახასიათებელი მახასიათებელია გამოსხივებული ფოტონის მდგომარეობის ზუსტი დამთხვევა გარე მდგომარეობასთან. ორივე ფოტონს აქვს იგივე ტალღის ვექტორები და პოლარიზაცია, ორივე ფოტონს ასევე აქვს იგივე სიხშირეები და ფაზები. ეს ნიშნავს, რომ სტიმულირებული ემისიის ფოტონები ყოველთვის თანმიმდევრულია იმ ფოტონებთან, რომლებმაც გამოიწვია ეს ემისია. სინათლის ველში მყოფ ატომებს ასევე შეუძლიათ ფოტონების შთანთქმა, რის შედეგადაც ატომები აღგზნებულია. ატომების მიერ ფოტონების რეზონანსული შთანთქმა ყოველთვის ინდუცირებული პროცესია, რომელიც ხდება მხოლოდ გარე გამოსხივების ველში. შთანთქმის ყოველი აქტისას ერთი ფოტონი ქრება და ატომი გადადის უფრო მაღალი ენერგიის მდგომარეობაში.

რა პროცესები გაბატონდება ატომების რადიაციასთან, ემისიასთან ან ფოტონების შთანთქმაში, დამოკიდებული იქნება უფრო მაღალი ან დაბალი ენერგიის მქონე ატომების რაოდენობაზე.

აინშტაინმა გამოიყენა ალბათური მეთოდები სპონტანური და სტიმულირებული ემისიის პროცესების აღსაწერად. თერმოდინამიკური მოსაზრებებიდან გამომდინარე, მან დაამტკიცა, რომ სტიმულირებული გადასვლების ალბათობა, რომელსაც თან ახლავს გამოსხივება, უნდა იყოს ტოლი სტიმულირებული გადასვლების ალბათობისა, რომელსაც თან ახლავს სინათლის შთანთქმა. ამრიგად, იძულებითი გადასვლები შეიძლება მოხდეს თანაბარი ალბათობით, როგორც ერთი მიმართულებით, ასევე მეორე მიმართულებით.

ახლა განვიხილოთ ბევრი იდენტური ატომები სინათლის ველში, რომელიც ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ იზოტროპული და არაპოლარიზებულია. (შემდეგ პოლარიზაციისა და რადიაციის მიმართულებით გაცემული კოეფიციენტების დამოკიდებულების შეკითხვა ქრება.) მოდით და იყოს ატომების რიცხვი ენერგეტიკებთან და, მაგრამ . და ჰქვია ენერგიის დონის მოსახლეობა.სპონტანური ემისიის დროს ატომების გადასვლის რაოდენობა მდგომარეობიდან სახელმწიფოში დროის ერთეულზე იქნება პროპორციული ატომების რაოდენობასთან:

ატომების გადასვლების რაოდენობა ერთსა და იმავე მდგომარეობებს შორის სტიმულირებული ემისიის დროს ასევე პროპორციული იქნება პოპულაციისა P -ე დონე, არამედ რადიაციის სპექტრული ენერგიის სიმკვრივე, რომლის ველშიც ატომებია:

დან გადასვლების რაოდენობა t -ვაი P -ე დონე გამოსხივებასთან ურთიერთქმედების გამო

სიდიდეებს აინშტაინის კოეფიციენტებს უწოდებენ.

წონასწორობა მატერიასა და რადიაციას შორის მიიღწევა იმ პირობით, რომ ატომების რაოდენობა, რომლებიც გადადიან მდგომარეობიდან დროის ერთეულზე პსახელმწიფოში ტტოლი იქნება საპირისპირო მიმართულებით გადასვლის ატომების რაოდენობა:

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, იძულებითი გადასვლის ალბათობა ერთი და მეორე მიმართულებით იგივეა. Ისე .

შემდეგ (3.16.4) შეგიძლიათ იპოვოთ გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივე

ატომების წონასწორული განაწილება სხვადასხვა ენერგიის მქონე მდგომარეობებზე განისაზღვრება ბოლცმანის კანონით.

შემდეგ (3.16.5)-დან ვიღებთ

რაც კარგად ეთანხმება პლანკის ფორმულას (3.10.23). ეს შეთანხმება იწვევს დასკვნას სტიმულირებული ემისიის არსებობის შესახებ.

ლაზერები.

მეოცე საუკუნის 50-იან წლებში შეიქმნა მოწყობილობები, რომლებშიც გავლისას ელექტრომაგნიტური ტალღები ძლიერდება სტიმულირებული გამოსხივების გამო. ჯერ შეიქმნა გენერატორები, რომლებიც მუშაობდნენ სანტიმეტრის ტალღის დიაპაზონში, ცოტა მოგვიანებით კი მსგავსი მოწყობილობა, რომელიც მუშაობდა ოპტიკურ დიაპაზონში. მას დაარქვეს ინგლისური სახელწოდების პირველი ასოების მიხედვით Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (შუქის გაძლიერება სტიმულირებული გამოსხივებით) - ლაზერული.ლაზერებს ასევე უწოდებენ ოპტიკური კვანტური გენერატორები.

იმისათვის, რომ გამოსხივების ინტენსივობა გაიზარდოს მატერიის გავლისას, აუცილებელია, რომ თითოეული წყვილი ატომური მდგომარეობისთვის, რომელთა შორის გადასვლები ხდება ფოტონების ემისია და შთანთქმის დროს, უფრო მაღალი ენერგეტიკული სახელმწიფოს მოსახლეობა უფრო მეტი იყო, ვიდრე დაბალი ენერგეტიკული სახელმწიფოს მოსახლეობა.ეს ნიშნავს, რომ თერმული წონასწორობა უნდა დაირღვეს. ნათქვამია, რომ ნივთიერება, რომელშიც ატომების უფრო მაღალი ენერგეტიკული მდგომარეობა უფრო დასახლებულია, ვიდრე დაბალი ენერგეტიკული მდგომარეობა აქვს მოსახლეობის ინვერსია.

მატერიის გავლით ორი ატომური მდგომარეობის პოპულაციის ინვერსიით, რადიაცია გამდიდრებულია ფოტონებით, რომლებიც იწვევენ გადასვლებს ამ ატომურ მდგომარეობებს შორის. შედეგად, რადიაციის თანმიმდევრული გაძლიერება ხდება გარკვეულ სიხშირეზე, როდესაც ფოტონების გამოწვეული ემისია ჭარბობს მათ შთანთქმის დროს ატომების გადასვლისას პოპულაციის ინვერსიის მქონე მდგომარეობებს შორის. პოპულაციის ინვერსიის მქონე ნივთიერებას ეწოდება აქტიური გარემო.

მოსახლეობის ინვერსიით სახელმწიფოს შესაქმნელად საჭიროა ენერგიის დახარჯვა, მისი დახარჯვა იმ პროცესების დასაძლევად, რომლებიც აღადგენს წონასწორობის განაწილებას. ამ ზემოქმედებას ნივთიერებაზე ე.წ ამოტუმბული.ტუმბოს ენერგია ყოველთვის მოდის გარე წყაროდან აქტიურ გარემოში.

არსებობს ტუმბოს სხვადასხვა მეთოდი. ლაზერებში პოპულაციის დონის ინვერსიის შესაქმნელად, ყველაზე ხშირად გამოიყენება სამ დონის მეთოდი. მოდით განვიხილოთ ამ მეთოდის არსი ლაზერის მაგალითის გამოყენებით.

რუბი არის ალუმინის ოქსიდი, რომელშიც ალუმინის ატომების ნაწილი ჩანაცვლებულია ქრომის ატომებით. ქრომის ატომების (იონების) ენერგეტიკული სპექტრი შეიცავს სამ დონეს (ნახ. 3.16.1) ენერგიებით და . ზედა დონე რეალურად არის საკმაოდ ფართო ზოლი, რომელიც ჩამოყალიბებულია მჭიდროდ დაშორებული დონეების სიმრავლით.

რ

სამდონიანი სისტემის მთავარი მახასიათებელია ის, რომ დონე 2, მე-3 დონის ქვემოთ, უნდა იყოს მეტასტაბილური დონე.ეს ნიშნავს, რომ ასეთ სისტემაში გადასვლა აკრძალულია კვანტური მექანიკის კანონებით. ეს აკრძალვა დაკავშირებულია ასეთი გადასვლისთვის კვანტური რიცხვების შერჩევის წესების დარღვევასთან. შერჩევის წესები არ არის აბსოლუტური გადახტომის წესები. თუმცა, მათი დარღვევა გარკვეული კვანტური გადასვლისთვის მნიშვნელოვნად ამცირებს მის ალბათობას. როდესაც ასეთ მეტასტაბილურ მდგომარეობაშია, ატომი მასში რჩება. ამავდროულად, ატომის სიცოცხლე მეტასტაბილურ მდგომარეობაში () ასობით ათასი ჯერ აღემატება ატომის სიცოცხლეს ჩვეულებრივ აღგზნებულ მდგომარეობაში (). ეს შესაძლებელს ხდის აღგზნებული ატომების ენერგიით დაგროვებას. ამრიგად, იქმნება 1 და 2 დონის ინვერსიული პოპულაცია.

ამიტომ პროცესი შემდეგნაირად მიმდინარეობს. ფლეშ ნათურის მწვანე შუქის მოქმედებით, ქრომის იონები ძირითადი მდგომარეობიდან გადადიან აგზნებად მდგომარეობაში. საპირისპირო გადასვლა ხდება ორ ეტაპად. პირველ ეტაპზე, აღგზნებული იონები თავიანთი ენერგიის ნაწილს უთმობენ ბროლის გისოსს და გადადიან მეტასტაბილურ მდგომარეობაში. იქმნება ამ სახელმწიფოს ინვერსიული მოსახლეობა. თუ ახლა 694,3 ნმ ტალღის სიგრძის ფოტონი გამოჩნდება რუბიში, რომელიც მიყვანილია ასეთ მდგომარეობაში (მაგალითად, დონიდან სპონტანური გადასვლის შედეგად), მაშინ ინდუცირებული ემისია გამოიწვევს გამრავლებას. ფოტონების, ორიგინალის ზუსტად კოპირება (თანმიმდევრული). ამ პროცესს აქვს ზვავის მსგავსი ხასიათი და იწვევს მხოლოდ იმ ფოტონების ძალიან დიდი რაოდენობის გამოჩენას, რომლებიც მრავლდებიან ლაზერის ღერძის მიმართ მცირე კუთხით. ასეთი ფოტონები, რომლებიც არაერთხელ ირეკლავენ ლაზერის ოპტიკური ღრუს სარკეებიდან, გადიან მასში გრძელ გზას და, შესაბამისად, ბევრჯერ ხვდებიან აღგზნებულ ქრომის იონებს, რაც იწვევს მათ ინდუცირებულ გადასვლებს. შემდეგ ფოტონის ნაკადი ვრცელდება ვიწრო სხივი,

რუბი ლაზერები მოქმედებენ პულსირებულ რეჟიმში. 1961 წელს შეიქმნა პირველი გაზის ლაზერი, რომელიც დაფუძნებულია ჰელიუმის და ნეონის ნარევზე, ​​რომელიც მუშაობს უწყვეტ რეჟიმში. შემდეგ შეიქმნა ნახევარგამტარული ლაზერები. ამჟამად ლაზერული მასალების სიაში შედის მრავალი ათეული მყარი და აირისებრი ნივთიერება.

ლაზერული გამოსხივების თვისებები.

ლაზერულ გამოსხივებას აქვს ისეთი თვისებები, რაც არ გააჩნია ჩვეულებრივი (არალაზერული) წყაროებიდან გამოსხივებას.

1. ლაზერულ გამოსხივებას აქვს მონოქრომატულობის მაღალი ხარისხი. ასეთი გამოსხივების ტალღის სიგრძის ინტერვალი არის ~ 0,01 ნმ.

2. ლაზერული გამოსხივება ხასიათდება მაღალი დროითი და სივრცითი თანმიმდევრულობით. ასეთი გამოსხივების თანმიმდევრულობის დრო წამებში აღწევს (თანმიმდევრობის სიგრძე დაახლოებით მ), რაც დაახლოებით ჯერ მეტია ჩვეულებრივი წყაროს თანხვედრის დროზე. ლაზერის გამოსასვლელში სივრცითი თანმიმდევრულობა შენარჩუნებულია სხივის მთელ კვეთაზე. ლაზერის დახმარებით შესაძლებელია სინათლის მიღება, რომლის თანმიმდევრულობის მოცულობა რამდენჯერმე აღემატება ყველაზე მონოქრომატული არალაზერული წყაროებიდან მიღებული იმავე ინტენსივობის სინათლის ტალღების თანმიმდევრულ მოცულობას. ამიტომ ლაზერული გამოსხივება გამოიყენება ჰოლოგრაფიაში, სადაც საჭიროა მაღალი ხარისხის თანხვედრის გამოსხივება.

მუხტის მატარებლების წარმოქმნისა და რეკომბინაციის პროცესები განუყოფელია ერთმანეთისგან, თუმცა ისინი შინაარსით საპირისპიროა. რეკომბინაციის დროს ენერგია შეიძლება გამოიყოფა ან ფოტონის სახით (რადიაციული რეკომბინაცია),ან ფონონის სახით (არარადიაციული რეკომბინაცია).

ბოლო წლებში შეიქმნა მრავალი ტიპის მოწყობილობა, რომელიც ელექტრო სიგნალებს შუქად გარდაქმნის. მათი მოქმედების პრინციპი ეფუძნება ეგრეთ წოდებულ რეკომბინაციულ გამოსხივებას - სინათლის კვანტების გამოსხივებას ელექტრონ-ხვრელების წყვილების პირდაპირი რეკომბინაციის აქტების დროს.

ინტენსიური რეკომბინაციისთვის საჭიროა ერთდროულად იყოს ელექტრონების მაღალი სიმკვრივე გამტარ ზოლში და თავისუფალი დონეების (ხვრელების) მაღალი სიმკვრივე ვალენტობის ზოლში.

ასეთი პირობები იქმნება ელექტრონის ინექციის მაღალ დონეზე ხვრელ ნახევარგამტარში მიმღებების მაღალი კონცენტრაციით.

აშკარაა რომ იმისათვის, რომ მოხდეს პირდაპირი გადასვლების შესაბამისი რადიაციული რეკომბინაცია, აუცილებელია ნახევარგამტარს ჰქონდეს შესაბამისი ზოლის სტრუქტურა: ვალენტობის ზოლისა და გამტარობის ზოლის უკიდურესი უნდა შეესაბამებოდეს ტალღის ვექტორის ერთსა და იმავე მნიშვნელობას .

დღეისათვის შესწავლილია A III B V, A II B VI ტიპის ნახევარგამტარული ნაერთები, აგრეთვე სხვა ბინარული (SiC) და სამეული სისტემები (როგორიცაა GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe და სხვ.), რომლებზეც p-n- შეერთებები, რომლებიც ასხივებენ მსუბუქ ვიბრაციას, როდესაც ჩართულია წინა მიმართულებით. ასეთი ნახევარგამტარული სინათლის წყაროები შეიძლება იყოს ძალიან სასარგებლო სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა საჩვენებელი მოწყობილობები.

გარკვეული მინარევებით ნახევარგამტარის დოპინგით შესაძლებელია რეკომბინაციის ენერგიის და, შესაბამისად, გამოსხივებული სინათლის ტალღის სიგრძის შეცვლა მინარევის ზოლის გამო. ამრიგად, p-n შეერთებები GaP-ზე იძლევა ორ ემისიის მაქსიმუმს: 5650 და 7000 Å. P-n შეერთებები GaAsP-ზე უზრუნველყოფს ლუმინესცენციას 6000-დან 7000 Å-მდე დიაპაზონში. ლუმინესცენცია ტალღის სიგრძის დიაპაზონში 5600-6300 Å შეიძლება მიღებულ იქნას სილიციუმის კარბიდის შეერთებით. რადიაციული რეკომბინაციის რეჟიმში მუშაობა ხდება შედარებით მაღალი დენის სიმკვრივით (რამდენიმე ასეული ამპერი კვადრატულ სანტიმეტრზე) კვანტური გამოსავლით დაახლოებით 0,5-1,5%.

500-ზე მეტი დენის სიმკვრივის დროს a / სმ 2და რამდენიმე ათასს აღწევს a / სმ 2,ჩნდება თვისობრივად ახალი ფენომენი -

შეერთებისას გარე ძაბვები უახლოვდება საკონტაქტო პოტენციალის განსხვავებას (რაც შეესაბამება დენის ძალიან მაღალ სიმკვრივეს), ხდება შემდეგი: დაურეკა მოსახლეობის ინვერსია . გამტარ ზოლში ელექტრონების მიერ დაკავებული დონეების სიმკვრივე უფრო მაღალი ხდება, ვიდრე ელექტრონების მიერ დაკავებული დონეების სიმკვრივე ვალენტობის ზოლის ზედა ნაწილთან.

დენის სიმკვრივის მნიშვნელობა, რომლის დროსაც ხდება მოსახლეობის ინვერსია, ეწოდება ზღვრული დენი.

ზღურბლზე ქვემოთ დენებისაგან ხდება რეკომბინაციის შემთხვევითი აქტები; ე. წ სპონტანური გამოსხივება.

ზღურბლზე ზემოთ დენებისაგან, ნახევარგამტარში გამავალი სინათლის კვანტი იწვევს სტიმულირებული ემისია -რიგი მუხტის მატარებლების ერთდროული რეკომბინაცია. ამ შემთხვევაში ხდება გაძლიერება ან წარმოქმნა თანმიმდევრულიმსუბუქი ვიბრაციები, ანუ ვიბრაციები, რომლებსაც აქვთ იგივე ფაზა.

ამრიგად, დენის სიმკვრივის დროს, რომელიც აღემატება ზღვრულ მნიშვნელობას, ზოგიერთი ტიპის ნახევარგამტარული p-n შეერთება შეიძლება იყოს წყარო. ლაზერულირადიაცია. ნახევარგამტარული ლაზერების უპირატესობა ის არის, რომ მათ არ სჭირდებათ ოპტიკური ტუმბო. აქ ოპტიკური ტუმბოს როლს ასრულებს ინექციური დენები, რომლებიც ქმნიან ინვერსიულ პოპულაციას. ნახევარგამტარ ლაზერებს შეიძლება ჰქონდეთ 50%-ზე მეტი ეფექტურობა და განსაკუთრებით ხელსაყრელია სხვა ტიპის ლაზერებთან შედარებით უწყვეტი მუშაობისას.

ლაზერული pn შეერთებისთვის ყველაზე გავრცელებული მასალაა გალიუმის არსენიდი. გალიუმის არსენიდზე p-n-შეერთების უწყვეტ რეჟიმში გამოყენება შესაძლებელია თხევადი აზოტის ტემპერატურაზე 8400 Å ტალღის სიგრძით 8400 Å ტალღის ერთეულების მიღება. ოთახის ტემპერატურაზე ტალღის სიგრძე იზრდება 9000 Å-მდე.

ნახევარგამტარებში ინვერსიული პოპულაცია შეიძლება შეიქმნას არა მხოლოდ ინექციით, არამედ სხვა მეთოდებით, მაგალითად, ელექტრონების აგზნებით ელექტრონული სხივის გამოყენებით.

§ 6 აბსორბცია.

სპონტანური და სტიმულირებული გამონაბოლქვი

ნორმალურ პირობებში (გარე გავლენის არარსებობის შემთხვევაში), ატომებში ელექტრონების უმეტესობა ყველაზე დაბალ აუზიანებელ დონეზეა. ე 1, ე.ი. ატომს აქვს შიდა ენერგიის მინიმალური მარაგი, დარჩენილი დონეები ე 2 , ე 3 ....ე ნ აღგზნებული მდგომარეობების შესაბამისი, აქვთ ელექტრონების მინიმალური პოპულაცია ან საერთოდ თავისუფალია. თუ ატომი ძირითად მდგომარეობაშია ე 1 , შემდეგ გარე გამოსხივების მოქმედებით, იძულებითი გადასვლა აღგზნებულ მდგომარეობაში ე 2. ასეთი გადასვლების ალბათობა პროპორციულია გამოსხივების სიმკვრივისა, რომელიც იწვევს ამ გადასვლებს.

ატომს, რომელიც იმყოფება აღგზნებულ მდგომარეობაში 2, შეუძლია, გარკვეული დროის შემდეგ, სპონტანურად (გარე გავლენის გარეშე) გადავიდეს უფრო დაბალი ენერგიის მდგომარეობაში, გამოყოფს ჭარბ ენერგიას ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სახით, ე.ი. ფოტონის გამოსხივება.

აღგზნებული ატომის მიერ ფოტონის გამოსხივების პროცესს ყოველგვარი გარეგანი გავლენის გარეშე ეწოდება სპონტანური (სპონტანური) ემისია.რაც უფრო დიდია სპონტანური გადასვლების ალბათობა, მით უფრო მოკლეა ატომის საშუალო სიცოცხლე აღგზნებულ მდგომარეობაში. იმიტომ რომ ასე რომ, სპონტანური გადასვლები ერთმანეთთან არ არის დაკავშირებული სპონტანური ემისია არ არის თანმიმდევრული.

თუ ატომი აღგზნებულ მდგომარეობაში 2 ექვემდებარება გარე გამოსხივებას დამაკმაყოფილებელი სიხშირითთნ = ე 2 - ე 1 , მაშინ ხდება იძულებითი (გამოწვეული) გადასვლა საწყის მდგომარეობაზე 1 იმავე ენერგიის მქონე ფოტონის ემისიით.თნ = ე 2 - ეერთი . ასეთ გადასვლაში ხდება ატომის გამოსხივება დამატებითფოტონს, რომლის ქვეშაც მოხდა გადასვლა. გარე ზემოქმედების შედეგად წარმოქმნილ რადიაციას ე.წ იძულებული. ამრიგად, in პროცესი სტიმულირებული ემისიაჩართულია ორი ფოტონი: პირველადი ფოტონი, რომელიც იწვევს გამოსხივების გამოსხივებას აღგზნებული ატომის მიერ და მეორადი ფოტონი, რომელიც ასხივებს ატომს. მეორადი ფოტონები განურჩეველიპირველადიდან.

აინშტაინმა და დირაკმა დაადასტურეს, რომ სტიმულირებული ემისია სტიმულირების ემისიის იდენტურია: მათ აქვთ იგივე ფაზა, სიხშირე, პოლარიზაცია და გავრცელების მიმართულება.Þ სტიმულირებული ემისია მკაცრად თანმიმდევრულიიძულებითი გამონაბოლქვით.

გამოსხივებული ფოტონები, რომლებიც მოძრაობენ ერთი მიმართულებით და ხვდებიან სხვა აღგზნებულ ატომებს, ასტიმულირებენ შემდგომ ინდუცირებულ გადასვლებს და ფოტონების რაოდენობა ზვავსავით იზრდება. თუმცა, სტიმულირებულ ემისიასთან ერთად, მოხდება შეწოვა. მაშასადამე, ინციდენტის გამოსხივების გასაძლიერებლად აუცილებელია, რომ ფოტონების რაოდენობა სტიმულირებულ ემისიებში (რაც პროპორციულია აღგზნებული მდგომარეობების პოპულაციისა) აღემატებოდეს შთანთქმის ფოტონების რაოდენობას. სისტემაში ატომები თერმოდინამიკურ წონასწორობაშია, შთანთქმა ჭარბობს სტიმულირებულ ემისიას, ე.ი. ინციდენტის გამოსხივება შესუსტდება მატერიაში გავლისას.

იმისათვის, რომ მედიამ გააძლიეროს მასზე რადიაციული ინციდენტი, აუცილებელია შექმნა სისტემის არათანაბარი მდგომარეობა, რომლის დროსაც აღგზნებულ მდგომარეობაში ატომების რაოდენობა უფრო მეტია, ვიდრე ძირითად მდგომარეობაში. ასეთ სახელმწიფოებს ე.წ სახელმწიფოებთან ერთად მოსახლეობის ინვერსია. მატერიის არათანაბარი მდგომარეობის შექმნის პროცესს ე.წ ამოტუმბული. ამოტუმბვა შეიძლება განხორციელდეს ოპტიკური, ელექტრო და სხვა მეთოდებით.

ინვერსიული პოპულაციის მქონე მედიაში სტიმულირებული ემისია შეიძლება აღემატებოდეს შთანთქმას, ე.ი. ინციდენტის გამოსხივება გაძლიერდება გარემოში გავლისას (ამ მედიას უწოდებენ აქტიურს). ამ მედიისთვის ბუგერის კანონშიმე = მე 0e- აx , შთანთქმის კოეფიციენტია - უარყოფითი.

§ 7. ლაზერები – ოპტიკური კვანტური გენერატორები

60-იანი წლების დასაწყისში შეიქმნა ოპტიკური დიაპაზონის კვანტური გენერატორი - ლაზერი.სინათლის გაძლიერება გამოსხივების სტიმულირებული გამოსხივებით ” - სინათლის გაძლიერება გამოსხივების ინდუცირებული გამოსხივებით. ლაზერული გამოსხივების თვისებები: მაღალი მონოქრომატულობა (განათების უკიდურესად მაღალი სიხშირე), მკვეთრი სივრცითი ორიენტაცია, უზარმაზარი სპექტრული სიკაშკაშე.

კვანტური მექანიკის კანონების თანახმად, ატომში ელექტრონის ენერგია არ არის თვითნებური: მას შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ გარკვეული (დისკრეტული) მნიშვნელობების დიაპაზონი E 1, E 2, E 3 ... E.ნ დაურეკა ენერგიის დონეები.ეს მნიშვნელობები განსხვავებულია სხვადასხვა ატომისთვის. დაშვებული ენერგეტიკული მნიშვნელობების სიმრავლე ე.წ ენერგეტიკული სპექტრიატომი. ნორმალურ პირობებში (გარე ზემოქმედების არარსებობის შემთხვევაში), ატომებში ელექტრონების უმეტესობა იმყოფება ყველაზე დაბალ აღგზნებულ დონეზე E 1, ე.ი. ატომს აქვს შინაგანი ენერგიის მინიმალური მარაგი; სხვა დონეები E 2 , E 3 ..... Eნ შეესაბამება ატომის უმაღლეს ენერგიას და ე.წ აღელვებული.

ელექტრონის ერთი ენერგეტიკული დონიდან მეორეზე გადასვლისას ატომს შეუძლია ასხივოს ან შთანთქას ელექტრომაგნიტური ტალღები, რომელთა სიხშირე. n m n \u003d (E m - E n) სთ,

სადაც თ - პლანკის მუდმივი ( h = 6,62 10 -34 J s);

E n - საბოლოო, E m - პირველი დონე.

აღგზნებულ ატომს შეუძლია დატოვოს მისი ჭარბი ენერგიის ნაწილი, რომელიც მიღებულია გარე წყაროდან ან შეძენილი მის მიერ ელექტრონების თერმული მოძრაობის შედეგად, ორი განსხვავებული გზით.

ატომის ნებისმიერი აღგზნებული მდგომარეობა არასტაბილურია და ყოველთვის არის მისი სპონტანური გადასვლის შესაძლებლობა დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში ელექტრომაგნიტური გამოსხივების კვანტური გამოსხივებით. ასეთ გადასვლას ე.წ სპონტანური(სპონტანური). ის არარეგულარული და ქაოტურია. ყველა ჩვეულებრივი წყარო აწარმოებს სინათლეს სპონტანური ემისიით.

ეს არის ემისიის პირველი მექანიზმი (ელექტრომაგნიტური გამოსხივება). განხილულში ორ დონის სქემასინათლის გამოსხივება, რადიაციის გაძლიერება შეუძლებელია. შეიწოვება ენერგია h n გამოიყოფა როგორც კვანტი იგივე ენერგიით h n და შეგიძლიათ ისაუბროთ თერმოდინამიკური წონასწორობა: ატომების აგზნების პროცესები გაზში ყოველთვის დაბალანსებულია ემისიის საპირისპირო პროცესებით.

§2 სამ დონის სქემა

თერმოდინამიკური წონასწორობის მყოფი ნივთიერების ატომებში, ყოველი მომდევნო აღგზნებული დონე შეიცავს ნაკლებ ელექტრონს, ვიდრე წინა. თუ ჩვენ ვიმოქმედებთ სისტემაზე ამაღელვებელი გამოსხივებით, სიხშირით, რომელიც ვარდება რეზონანსში 1 და 3 დონეებს შორის გადასვლისას (სქემატურად 1→ 3), მაშინ ატომები შთანთქავენ ამ გამოსხივებას და გადადიან 1-ლი დონიდან მე-3 დონეზე. თუ გამოსხივების ინტენსივობა საკმარისად მაღალია, მაშინ ატომების რაოდენობა, რომლებიც გადავიდნენ მე-3 დონეზე, შეიძლება იყოს საკმაოდ მნიშვნელოვანი და ჩვენ, წონასწორობის დარღვევით. დონის პოპულაციების განაწილება, გაზრდის მე-3 დონის მოსახლეობას და შესაბამისად შეამცირებს 1 დონის პოპულაციას.

ზედა მესამე დონიდან შესაძლებელია გადასვლები 3→ 1 და 3 → 2. აღმოჩნდა, რომ გარდამავალი 3→ 1 იწვევს ენერგიის გამოყოფას E 3 -E 1 = h n 3-1 , და გარდამავალი 3 → 2 არ არის რადიაციული: მას მივყავართ მე-2 შუალედური დონის ''ზემოდან'' პოპულაციამდე (ამ გადასვლისას ელექტრონის ენერგიის ნაწილი ეძლევა ნივთიერებას, ათბობს მას). ამ მეორე დონეს ე.წ მეტასტაბილური, და შედეგად მასზე მეტი ატომები იქნება, ვიდრე პირველზე. ვინაიდან ატომები მიდიან მე-2 დონეზე მიწის 1 დონიდან 3 ზედა მდგომარეობიდან და ბრუნდებიან მიწის დონეზე „დიდი დაგვიანებით“, მაშინ 1 დონე „გამოიწურება“.

შედეგად, არსებობს ინვერსია,იმათ. დონის პოპულაციების ინვერსიული ინვერსიული განაწილება. ენერგიის დონეების მოსახლეობის ინვერსია იქმნება ინტენსიური დამხმარე გამოსხივებით, რომელსაც ე.წ ტუმბოს გამოსხივებადა საბოლოოდ იწვევს გამოწვეულიფოტონების (იძულებითი) გამრავლება შებრუნებულ გარემოში.

როგორც ნებისმიერ გენერატორში, ლაზერში, გენერირების რეჟიმის მისაღებად აუცილებელია კავშირი. ლაზერში უკუკავშირი ხორციელდება სარკეების გამოყენებით. გამაძლიერებელი (აქტიური) გარემო მოთავსებულია ორ სარკეს შორის - ბრტყელ ან უფრო ხშირად ჩაზნექილ სარკეს შორის. ერთი სარკე დამზადებულია მყარი, მეორე კი ნაწილობრივ გამჭვირვალე.

წარმოქმნის პროცესის "თესლი" არის ფოტონის სპონტანური ემისია. ამ ფოტონის გარემოში მოძრაობის შედეგად, ის წარმოქმნის ფოტონების ზვავს, რომლებიც დაფრინავენ იმავე მიმართულებით. გამჭვირვალე სარკესთან მიღწევის შემდეგ, ზვავი ნაწილობრივ აირეკლება, ნაწილობრივ კი სარკეში გაივლის გარედან. მარჯვენა სარკიდან ასახვის შემდეგ, ტალღა უკან ბრუნდება და აგრძელებს ძლიერებას. მანძილის გავლალ, აღწევს მარცხენა სარკემდე, აირეკლება და ისევ მარჯვენა სარკისკენ მირბის.

ასეთი პირობები იქმნება მხოლოდ ღერძული ტალღებისთვის. სხვა მიმართულებების კვანტებს არ შეუძლიათ აქტიურ გარემოში შენახული ენერგიის შესამჩნევი ნაწილის აღება.

ლაზერიდან გამოსულ ტალღას აქვს თითქმის ბრტყელი ფრონტი და სივრცითი და დროითი თანმიმდევრობის მაღალი ხარისხი მთელ სხივის კვეთაზე.

ლაზერებში, სხვადასხვა აირები და აირის ნარევები გამოიყენება როგორც აქტიური საშუალება ( გაზის ლაზერები), კრისტალები და ჭიქები გარკვეული იონების მინარევებით ( მყარი მდგომარეობის ლაზერები), ნახევარგამტარები ( ნახევარგამტარული ლაზერები).

აგზნების მეთოდები (სატუმბი სისტემაში) დამოკიდებულია აქტიური საშუალების ტიპზე. ეს არის ან აგზნების ენერგიის გადაცემის მეთოდი ნაწილაკების შეჯახების შედეგად გაზის გამონადენ პლაზმაში (გაზის ლაზერები), ან ენერგიის გადაცემა აქტიური ცენტრების არათანმიმდევრული სინათლის დასხივებით სპეციალური წყაროებიდან (ოპტიკური ტუმბო მყარ მდგომარეობაში ლაზერებში). ან არათანაბარი მატარებლების ინექცია p- მეშვეობითნ - გადასვლა, ან აგზნება ელექტრონული სხივით, ან ოპტიკური სატუმბი (ნახევარგამტარული ლაზერები).

დღეისათვის შეიქმნა ძალიან დიდი რაოდენობით სხვადასხვა ლაზერები, რომლებიც წარმოქმნიან რადიაციას ტალღის სიგრძის ფართო დიაპაზონში (200¸ 2 10 4 ნმ). ლაზერები მუშაობენ ძალიან მოკლე სინათლის იმპულსებით. t » 1·10 -12 წმ ასევე შეუძლია უწყვეტი გამოსხივება. ლაზერული გამოსხივების ენერგიის ნაკადის სიმკვრივე არის დაახლოებით 10 10 ვტ/სმ 2 (მზის ინტენსივობა მხოლოდ 7·10 3 ვტ/სმ 2-ია).

ლაზერი არის მოწყობილობა, რომელიც წარმოქმნის თანმიმდევრულ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს საშუალო მიკრონაწილაკების სტიმულირებული ემისიის გამო, რომელშიც იქმნება ერთ-ერთი ენერგიის დონის აგზნების მაღალი ხარისხი.

ლაზერი. - ინგლისურიდან. სინათლის გაძლიერება სტიმულირებული ემისიით.

ოპტიკური კვანტური გენერატორი გარდაქმნის ტუმბოს ენერგიას თანმიმდევრული მონოქრომატული პოლარიზებული ვიწრო მიმართულების ენერგიად. აინშტაინმა შემოიღო სტიმულირებული ემისიის კონცეფცია. 1939 წელს რუსი მეცნიერი ფაბრიკანტი მივიდა დასკვნამდე სინათლის გაძლიერების შესაძლებლობის შესახებ მატერიაში გავლისას.

Სამუშაო პირობები. პრინციპი.

• - სტიმულირებული ემისია. როდესაც ფოტონი ურთიერთქმედებს აღგზნებულ მოლეკულასთან, სინათლე ძლიერდება. იძულებითი გადასვლების რაოდენობა დამოკიდებულია წამში ჩავარდნილი ფოტონების რაოდენობაზე და აღგზნებული ელექტრონების რაოდენობაზე.
• - ენერგიის დონის ინვერსიული პოპულაცია - მდგომარეობა, როდესაც უფრო მეტი ნაწილაკია უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, ვიდრე დაბალზე. აქტიური გარემო არის გარემო, რომელიც შემოყვანილია ინვერსიული პოპულაციის მდგომარეობაში. შესაძლებელია IN-ის შექმნა მხოლოდ TD-ის წონასწორობის მდგომარეობიდან ამოღებით (ტუმბოს მეთოდები)
• 1) გამჭვირვალე აქტიური მედიის ოპტიკური ტუმბო იყენებს სინათლის იმპულსებს გარე წყაროდან.
• 2) აირისებრი აქტიური მედიის ელექტრული განმუხტვის სატუმბი იყენებს ელექტრო მუხტს.
• 3) ნახევარგამტარული აქტიური მედიის ინექციური სატუმბი იყენებს ელ. მიმდინარე.
• 4) აირების ნარევიდან აქტიური გარემოს ქიმიური ამოტუმბვა იყენებს ქიმიურ ენერგიას. რეაქციები ნარევის კომპონენტებს შორის.

ლაზერული მოწყობილობა:

• 1) სამუშაო სითხე - გარემო, რომელიც აქტიურ მდგომარეობაშია გარე ზემოქმედებით
• 2) სატუმბი სისტემა - სამუშაო სითხის აქტიურ მდგომარეობაში მოყვანის მოწყობილობა
• 3) ოპტიკური რეზონატორი - ორი ბრტყელი სარკე ერთმანეთის პირისპირ. მრავალჯერადი არეკვლის გამო ხდება ფოტონების ზვავის მსგავსი ემისია. როდესაც ინტენსივობა გარკვეულ მნიშვნელობას მიაღწევს, იწყება ლაზერული გამოსხივების წარმოქმნა.

ლაზერული გამოსხივების მახასიათებლები:

• 1) მაღალი მონოქრომატულობა
• 2) თანმიმდევრულობა - ფოტონების ფაზური სხვაობის მუდმივობა
• 3) მაღალი ინტენსივობა 1014-1016 ვტ/კვ.სმ-მდე.
• 4) კოლიმაცია
• 5) პოლარიზაცია - LI მხოლოდ ერთ სიბრტყეში.
• 6) მაღალი სიმძლავრე 10 (5 st) ვატამდე.

ლალის ლაზერი.

სამუშაო სითხე არის Al ოქსიდი + 0,05% ქრომის ოქსიდი, სატუმბი სისტემა ოპტიკურია, ტალღის სიგრძე = 694,3 ნმ. ალს აქვს 2 ენერგეტიკული დონე (დაფქული და აღელვებული). T \u003d 10 (-8 st) წმ. ქრომს აქვს 3 ენერგეტიკული დონე (ძირითადი, აღგზნებული, შუალედური), T = 10 (-3-ზე) წმ. ალ გადასცემს თავის ენერგიას ქრომის ატომებს, ეხმარება აღგზნებაში. Chromium არის აქტიური საშუალება.

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერი.

სამუშაო სითხე არის ჰელიუმის და ნეონის გაზების ნარევი 10:1 თანაფარდობით. წნევა 150 Pa. ნეონის ატომები - გამოსხივება, ჰელიუმი - დამხმარე. სატუმბი სისტემა - ელ. გამონადენი. ტალღის სიგრძე = 632,8 ნმ.

ფოტონის შთანთქმით, ატომი გადადის უფრო დაბალი ენერგეტიკული დონიდან უფრო მაღალზე. ქვედა დონეზე სპონტანური გადასვლისას ატომი ასხივებს ფოტონს. კონკრეტული ქიმიური ელემენტის ატომებისთვის ნებადართულია მხოლოდ ძალიან სპეციფიკური გადასვლები ენერგიის დონეებს შორის. შედეგად, ატომები შთანთქავენ მხოლოდ იმ ფოტონებს, რომელთა ენერგია ზუსტად შეესაბამება ატომის ერთი ენერგეტიკული დონიდან მეორეზე გადასვლის ენერგიას. ვიზუალურად, ეს გამოიხატება თითოეული ქიმიური ელემენტისთვის ინდივიდუალური შთანთქმის სპექტრის არსებობაში, რომელიც შეიცავს ფერის ზოლების გარკვეულ კომპლექტს.

დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე გადასვლისას ატომის მიერ გამოსხივებულ ფოტონს ასევე აქვს ძალიან განსაზღვრული ენერგია, ენერგეტიკულ დონეებს შორის ენერგიის სხვაობის შესაბამისი. ამ მიზეზით, ატომებს შეუძლიათ მხოლოდ გარკვეული სიხშირის სინათლის ტალღების გამოსხივება. ეს ეფექტი აშკარად ვლინდება ფლუორესცენტური ნათურების მუშაობაში, რომლებიც ხშირად გამოიყენება ქუჩის რეკლამაში. ასეთი ნათურის ღრუ ივსება რაიმე სახის ინერტული აირით, რომლის ატომები აღგზნებულია ულტრაიისფერი გამოსხივებით, რაც ხდება მაშინ, როდესაც ელექტრული დენი გადის სპეციალურ ფენაში, რომელიც ფარავს ნათურის გარსის შიდა ზედაპირს. საწყის მდგომარეობაში დაბრუნებისას, გაზის ატომები ანიჭებენ გარკვეულ ფერს. ასე, მაგალითად, ნეონი წითელ ბზინვარებას აძლევს, არგონი კი მწვანეს.

ატომების სპონტანური (სპონტანური) გადასვლა უფრო მაღალი ენერგეტიკული დონიდან ქვედაზე შემთხვევითია. ამ შემთხვევაში გამომუშავებულ გამოსხივებას არ გააჩნია ლაზერული გამოსხივების თვისებები: სინათლის სხივების პარალელურობა, თანმიმდევრულობა (ამპლიტუდების და რხევების ფაზების თანმიმდევრულობა დროსა და სივრცეში), მონოქრომული (მკაცრი მონოქრომატულობა). თუმცა, ჯერ კიდევ 1917 წელს ალბერტ აინშტაინმა იწინასწარმეტყველა ინდუცირებული გადასვლების არსებობა დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე სპონტანურ გადასვლებთან ერთად. შემდგომში ეს შესაძლებლობა განხორციელდა ლაზერების დიზაინში. ამ ფენომენის არსი იმაში მდგომარეობს, რომ სინათლის ნაკადის ფოტონი, რომელიც გზაზე ხვდება აღგზნებულ ატომს, მისგან ზუსტად იგივე მახასიათებლების მქონე ფოტონს ამოაგდებს.

შედეგად, იდენტური ფოტონების რაოდენობა გაორმაგდება. ახლად წარმოქმნილ ფოტონს, თავის მხრივ, შეუძლია სხვა ფოტონის გენერირება სხვა აღგზნებული ატომიდან მისი გამოდევნით. ამრიგად, იდენტური ფოტონების რაოდენობა ზვავივით იზრდება. ამ შემთხვევაში წარმოქმნილი გამოსხივება ხასიათდება სინათლის ნაკადის, თანმიმდევრულობის და მონოქრომული სხივების პარალელურობის მაღალი ხარისხით, რადგან ის შეიცავს მხოლოდ იმ ფოტონებს, რომლებსაც აქვთ იგივე ენერგია და მოძრაობის მიმართულება.