Charakterizujme kvantové procesy emisie a absorpcie fotónov atómami. Fotóny sú emitované iba excitovanými atómami. Atóm vyžarovaním fotónu stráca energiu a veľkosť tejto straty súvisí s frekvenciou fotónu vzťahom (3.12.7). Ak atóm z nejakého dôvodu (napríklad v dôsledku zrážky s iným atómom) prejde do excitovaného stavu, tento stav je nestabilný. Preto sa atóm vyžarovaním fotónu vracia do stavu nižšej energie. Takéto žiarenie je tzv spontánna alebo spontánna. Spontánna emisia teda nastáva bez vonkajšieho pôsobenia a je spôsobená len nestabilitou excitovaného stavu. Rôzne atómy spontánne vyžarujú nezávisle na sebe a vytvárajú fotóny, ktoré sa šíria rôznymi smermi. Atóm môže byť navyše excitovaný do rôznych stavov, takže vyžaruje fotóny rôznych frekvencií. Preto sú tieto fotóny nekoherentné.

Ak sú atómy vo svetelnom poli, potom toto môže spôsobiť prechody z nižšej úrovne na vyššiu, sprevádzané absorpciou fotónu, a naopak s emisiou fotónu. Žiarenie spôsobené dopadom vonkajšej elektromagnetickej vlny s rezonančnou frekvenciou na atóm, pre ktorú je splnená rovnosť (3.12.7), sa nazýva tzv. vyvolané alebo nútený. Na rozdiel od spontánnej emisie sa na každom akte stimulovanej emisie podieľajú dva fotóny. Jeden z nich sa šíri zo zdroja tretej strany a pôsobí na atóm a druhý je emitovaný atómom v dôsledku tohto účinku. Charakteristickým znakom stimulovanej emisie je presná zhoda stavu emitovaného fotónu so stavom vonkajšieho. Oba fotóny majú rovnaké vlnové vektory a polarizácie, oba fotóny majú tiež rovnaké frekvencie a fázy. To znamená, že fotóny stimulovanej emisie sú vždy koherentné s fotónmi, ktoré túto emisiu spôsobili. Atómy vo svetelnom poli môžu absorbovať aj fotóny, v dôsledku čoho sú atómy excitované. Rezonančná absorpcia fotónov atómami je vždy indukovaný proces vyskytujúci sa iba v oblasti vonkajšieho žiarenia. Pri každom akte absorpcie zmizne jeden fotón a atóm prechádza do stavu s vyššou energiou.

Aké procesy budú prevládať pri interakcii atómov so žiarením, emisiou alebo absorpciou fotónov, bude závisieť od počtu atómov s väčšou alebo menšou energiou.

Einstein použil pravdepodobnostné metódy na opis procesov spontánnej a stimulovanej emisie. Na základe termodynamických úvah dokázal, že pravdepodobnosť stimulovaných prechodov sprevádzaných žiarením sa musí rovnať pravdepodobnosti stimulovaných prechodov sprevádzaných absorpciou svetla. Vynútené prechody sa teda môžu vyskytnúť s rovnakou pravdepodobnosťou v jednom aj v druhom smere.

Uvažujme teraz o mnohých rovnakých atómoch vo svetelnom poli, o ktorých budeme predpokladať, že sú izotropné a nepolarizované. (Potom odpadá otázka závislosti nižšie zavedených koeficientov na polarizácii a smere žiarenia.) Nech a sú počty atómov v stavoch s energiami a , pričom tieto stavy môžu nadobudnúť ktorýkoľvek z počtu prípustných stavov, ale . a volá sa populácie energetických hladín. Počet prechodov atómov zo stavu do stavu za jednotku času počas spontánnej emisie bude úmerný počtu atómov v stave:

Počet prechodov atómov medzi rovnakými stavmi počas stimulovanej emisie bude tiež úmerný počtu obyvateľov P -úroveň, ale aj spektrálnu hustotu energie žiarenia, v poli ktorého sú atómy:

Počet prechodov z t - wow on P -úroveň v dôsledku interakcie so žiarením

Veličiny sa nazývajú Einsteinove koeficienty.

Rovnováha medzi hmotou a žiarením sa dosiahne za predpokladu, že počet atómov prechádzajúcich zo stavu za jednotku času P do stavu t sa bude rovnať počtu atómov, ktoré prechádzajú opačným smerom:

Ako už bolo spomenuté, pravdepodobnosť nútených prechodov v jednom a druhom smere je rovnaká. Takže .

Potom z (3.16.4) môžeme nájsť hustotu energie žiarenia

Rovnovážne rozloženie atómov v stavoch s rôznymi energiami určuje Boltzmannov zákon

Potom z (3.16.5) dostaneme

Čo je v dobrej zhode s Planckovým vzorcom (3.10.23). Táto dohoda vedie k záveru o existencii stimulovanej emisie.

Lasery.

V 50. rokoch dvadsiateho storočia vznikli zariadenia, pri ktorých prechode dochádza k zosilneniu elektromagnetických vĺn v dôsledku stimulovaného žiarenia. Najprv boli vytvorené generátory, ktoré pracovali v rozsahu centimetrových vĺn a o niečo neskôr vzniklo podobné zariadenie, ktoré pracovalo v optickom rozsahu. Názov dostal podľa prvých písmen anglického názvu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zosilnenie svetla stimulovanou emisiou) - laser. Lasery sú tiež tzv optické kvantové generátory.

Aby sa intenzita žiarenia pri prechode hmoty zvyšovala, je potrebné, aby pre každú dvojicu atómových stavov, medzi ktorými dochádza k prechodom pri emisii a absorpcii fotónov, populácia v stave s vyššou energiou bola väčšia ako populácia v stave s nižšou energiou. To znamená, že musí byť narušená tepelná rovnováha. Hovorí sa, že látka, v ktorej je vyšší energetický stav atómov viac osídlený ako nižší energetický stav populačná inverzia.

Pri prechode hmotou s populačnou inverziou dvoch atómových stavov sa žiarenie obohacuje o fotóny, ktoré spôsobujú prechody medzi týmito atómovými stavmi. V dôsledku toho dochádza pri určitej frekvencii ku koherentnému zosilneniu žiarenia, kedy pri prechodoch atómov medzi stavmi s populačnou inverziou prevláda indukovaná emisia fotónov nad ich absorpciou. Látka s inverziou populácie sa nazýva aktívne médium.

Na vytvorenie stavu s populačnou inverziou je potrebné vynaložiť energiu, vynaložiť ju na prekonanie procesov, ktoré obnovujú rovnovážne rozloženie. Tento účinok na látku sa nazýva čerpané. Energia čerpadla vždy prichádza z externého zdroja do aktívneho média.

Existujú rôzne spôsoby čerpania. Na vytvorenie úrovňovej inverzie populácie v laseroch sa najčastejšie používa trojúrovňová metóda. Uvažujme o podstate tejto metódy pomocou rubínového lasera ako príkladu.

Rubín je oxid hlinitý, v ktorom sú niektoré atómy hliníka nahradené atómami chrómu. Energetické spektrum atómov (iónov) chrómu obsahuje tri úrovne (obr. 3.16.1) s energiami , a . Horná úroveň je v skutočnosti pomerne široký pás tvorený súborom tesne umiestnených úrovní.

R

Hlavnou črtou trojúrovňového systému je, že úroveň 2 musí byť pod úrovňou 3 metastabilná úroveň. To znamená, že prechod v takomto systéme zakazujú zákony kvantovej mechaniky. Tento zákaz je spojený s porušením pravidiel výberu kvantových čísel pre takýto prechod. Pravidlá výberu nie sú absolútne neskákacie pravidlá. Ich porušenie pre nejaký kvantový prechod však výrazne znižuje jeho pravdepodobnosť. Akonáhle je v takomto metastabilnom stave, atóm v ňom zotrváva. Zároveň je životnosť atómu v metastabilnom stave () státisíckrát väčšia ako životnosť atómu v obyčajnom excitovanom stave (). To umožňuje akumulovať excitované atómy s energiou. Preto sa vytvorí inverzná populácia úrovní 1 a 2.

Proces teda prebieha nasledovne. Pôsobením zeleného svetla z blesku prechádzajú ióny chrómu zo základného stavu do excitovaného stavu. Reverzný prechod prebieha v dvoch fázach. V prvom štádiu excitované ióny odovzdajú časť svojej energie kryštálovej mriežke a prechádzajú do metastabilného stavu. Vytvára sa inverzná populácia tohto štátu. Ak sa teraz fotón s vlnovou dĺžkou 694,3 nm objaví v rubíne, ktorý bol uvedený do takého stavu (napríklad v dôsledku spontánneho prechodu z úrovne na ), potom indukovaná emisia povedie k znásobeniu fotónov, presne kopíruje originál (koherentný). Tento proces má lavínový charakter a vedie k objaveniu sa veľmi veľkého počtu iba tých fotónov, ktoré sa šíria pod malými uhlami k osi lasera. Takéto fotóny, ktoré sa opakovane odrážajú od zrkadiel optickej dutiny lasera, v ňom prechádzajú dlhou dráhou a následne sa veľmi často stretávajú s excitovanými iónmi chrómu, čo spôsobuje ich indukované prechody. Fotónový tok sa potom šíri úzky lúč,

Rubínové lasery pracujú v pulznom režime. V roku 1961 bol vytvorený prvý plynový laser na báze zmesi hélia a neónu, pracujúci v kontinuálnom režime. Potom boli vytvorené polovodičové lasery. V súčasnosti zoznam laserových materiálov zahŕňa mnoho desiatok pevných a plynných látok.

Vlastnosti laserového žiarenia.

Laserové žiarenie má vlastnosti, ktoré žiarenie z bežných (nelaserových) zdrojov nemá.

1. Laserové žiarenie má vysoký stupeň monochromatičnosti. Interval vlnových dĺžok takéhoto žiarenia je ~ 0,01 nm.

2. Laserové žiarenie sa vyznačuje vysokou časovou a priestorovou koherenciou. Doba koherencie takéhoto žiarenia dosahuje sekúnd (dĺžka koherencie je rádovo m), čo je približne krát viac ako doba koherencie bežného zdroja. Priestorová koherencia na výstupe lasera je zachovaná v celom priereze lúča. Pomocou laseru je možné získať svetlo, ktorého koherenčný objem je niekoľkonásobne väčší ako koherenčný objem svetelných vĺn rovnakej intenzity získaný z najmonochromatickejších nelaserových zdrojov. Preto sa laserové žiarenie používa v holografii, kde je potrebné žiarenie s vysokým stupňom koherencie.

Procesy generovania a rekombinácie nosičov náboja sú od seba neoddeliteľné, hoci sú obsahovo opačné. Energia počas rekombinácie sa môže uvoľniť buď vo forme fotónu (žiarivá rekombinácia), alebo vo forme fonónu (neradiatívna rekombinácia).

V posledných rokoch sa vyvinulo množstvo typov zariadení, ktoré premieňajú elektrické signály na svetlo. Princíp ich činnosti je založený na takzvanom rekombinačnom žiarení - vyžarovaní svetelných kvánt pri priamych rekombinačných aktoch párov elektrón-diera.

Pre intenzívnu rekombináciu je potrebné mať súčasne vysokú hustotu elektrónov vo vodivom pásme a vysokú hustotu voľných hladín (dier) vo valenčnom pásme.

Takéto podmienky sa vytvárajú pri vysokej úrovni vstrekovania elektrónov do dierového polovodiča s vysokou koncentráciou akceptorov.

To je zrejmé Aby mohla prebehnúť žiarivá rekombinácia zodpovedajúca priamym prechodom, je potrebné, aby mal polovodič vhodnú pásovú štruktúru: extrémy valenčného pásma a pásma vodivosti musia zodpovedať rovnakej hodnote vlnového vektora .

V súčasnosti je študovaných množstvo polovodičových zlúčenín typu A III B V, A II B VI, ako aj ďalšie binárne (SiC) a ternárne systémy (ako GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe a pod.), na ktorých p-n- križovatky, ktoré pri zapnutí v smere dopredu vyžarujú svetelné vibrácie. Takéto polovodičové svetelné zdroje môžu byť veľmi užitočné pre rôzne aplikácie, ako sú indikačné zariadenia.

Dopovaním polovodiča určitými nečistotami je možné zmeniť rekombinačnú energiu a následne aj vlnovú dĺžku emitovaného svetla v dôsledku pásma nečistôt. P-n prechody na GaP teda dávajú dve emisné maximá: 5650 a 7000 Á. P-n prechody na GaAsP poskytujú luminiscenciu v rozsahu od 6000 do 7000 Á. Luminiscenciu v rozsahu vlnových dĺžok 5600-6300 Á je možné získať pomocou spojov z karbidu kremíka. Prevádzka v režime radiačnej rekombinácie nastáva pri relatívne vysokých prúdových hustotách (niekoľko stoviek ampérov na štvorcový centimeter) s kvantovým výťažkom približne 0,5 až 1,5 %.

Pri vyšších prúdových hustotách nad 500 a/cm2 a dosahuje niekoľko tisíc a / cm 2, objavuje sa kvalitatívne nový fenomén -

Pri vonkajších napätiach na križovatke, ktoré sa blížia k rozdielu kontaktných potenciálov (čo zodpovedá veľmi vysokým prúdovým hustotám), dochádza k nasledovnému: volal populačná inverzia . Hustota hladín obsadených elektrónmi vo vodivom pásme je vyššia ako hustota hladín obsadených elektrónmi v blízkosti vrcholu valenčného pásma.

Hodnota prúdovej hustoty, pri ktorej dochádza k inverzii populácie, sa nazýva prahový prúd.

Pri prúdoch pod prahovou hodnotou sa uskutočňujú náhodné rekombinácie; tzv spontánna emisia.

Pri prúdoch nad prahom spôsobuje svetelné kvantum prechádzajúce polovodičom stimulovaná emisia - súčasná rekombinácia množstva nosičov náboja. V tomto prípade dochádza k zosilneniu alebo generovaniu koherentný svetelné vibrácie, t.j. vibrácie s rovnakou fázou.

Takže pri prúdových hustotách presahujúcich prahovú hodnotu môžu byť zdrojom niektoré typy polovodičových p-n prechodov laseržiarenia. Výhodou polovodičových laserov je, že nevyžadujú optické čerpanie. Tu úlohu optického čerpania vykonávajú vstrekovacie prúdy, ktoré vytvárajú inverznú populáciu. Polovodičové lasery môžu mať účinnosť presahujúcu 50 % a sú obzvlášť výhodné v porovnaní s inými typmi laserov, keď sa používajú v nepretržitej prevádzke.

Najbežnejším materiálom pre laserové pn spojenia je arzenid gália. Pomocou p-n-prechodov na arzenide gália v kontinuálnom režime je možné získať jednotky wattov takmer monochromatického žiarenia s vlnovou dĺžkou 8400 Å pri teplote kvapalného dusíka. Pri izbovej teplote sa vlnová dĺžka zvyšuje na 9000 Á.

Inverzná populácia v polovodičoch môže byť vytvorená nielen vstrekovaním, ale aj inými metódami, napríklad excitáciou elektrónov pomocou elektrónového lúča.

§ 6 Absorpcia.

Spontánna a stimulovaná emisia

Za normálnych podmienok (pri absencii vonkajších vplyvov) je väčšina elektrónov v atómoch na najnižšej nevybudenej úrovni E 1, t.j. atóm má minimálnu zásobu vnútornej energie, zvyšné hladiny E 2 , E 3 ....E n zodpovedajúce excitovaným stavom, majú minimálnu populáciu elektrónov alebo sú vôbec voľné. Ak je atóm v základnom stave s E 1, potom pôsobením vonkajšieho žiarenia nútený prechod do excitovaného stavu s E 2. Pravdepodobnosť takýchto prechodov je úmerná hustote žiarenia, ktoré tieto prechody spôsobuje.

Atóm, ktorý je v excitovanom stave 2, môže po určitom čase samovoľne (bez vonkajších vplyvov) prejsť do stavu s nižšou energiou, pričom prebytočnú energiu vydáva vo forme elektromagnetického žiarenia, t.j. emitovanie fotónu.

Proces emisie fotónu excitovaným atómom bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov sa nazýva spontánna (spontánna) emisia.Čím väčšia je pravdepodobnosť spontánnych prechodov, tým kratšia je priemerná životnosť atómu v excitovanom stave. Pretože spontánne prechody teda navzájom nesúvisia spontánna emisia nie je koherentná.

Ak je atóm v excitovanom stave 2 vystavený vonkajšiemu žiareniu s frekvenciou vyhovujúcouhn = E 2 - E 1, potom dôjde k nútenému (indukovanému) prechodu do základného stavu 1 s emisiou fotónu s rovnakou energiou.hn = E 2 - E jeden . Pri takomto prechode dochádza k ožiareniu atómom dodatočne na fotón, pod ktorým došlo k prechodu. Žiarenie vyplývajúce z vonkajšej expozície sa nazýva nútený. Teda v proces stimulovaná emisia zapojené sú dva fotóny: primárny fotón spôsobujúci emisiu žiarenia excitovaným atómom a sekundárny fotón emitovaný atómom. Sekundárne fotóny nerozoznateľný z primárky.

Einstein a Dirac dokázali, že stimulovaná emisia je totožná so stimulačnou emisiou: majú rovnakú fázu, frekvenciu, polarizáciu a smer šírenia.Þ Stimulovaná emisia prísne koherentné s núteným vyžarovaním.

Emitované fotóny, pohybujúce sa jedným smerom a stretávajúce sa s inými excitovanými atómami, stimulujú ďalšie indukované prechody a počet fotónov rastie ako lavína. Spolu so stimulovanou emisiou však dôjde k absorpcii. Na zosilnenie dopadajúceho žiarenia je preto potrebné, aby počet fotónov v stimulovaných emisiách (ktorý je úmerný počtu obyvateľov excitovaných stavov) prevyšoval počet absorbovaných fotónov. V systéme sú atómy v termodynamickej rovnováhe, prevládne absorpcia nad stimulovanou emisiou, t.j. Dopadajúce žiarenie bude pri prechode hmotou utlmené.

Aby médium zosilnilo žiarenie naň dopadajúce, je potrebné tvoriť nerovnovážny stav systému, pri ktorej je počet atómov v excitovanom stave väčší ako v základnom stave. Takéto stavy sú tzv štáty s populačná inverzia. Proces vytvárania nerovnovážneho stavu hmoty je tzv čerpané. Čerpanie sa môže vykonávať optickými, elektrickými a inými metódami.

V médiách s invertovanou populáciou môže stimulovaná emisia prekročiť absorpciu, t.j. dopadajúce žiarenie sa pri prechode prostredím zosilní (tieto médiá sa nazývajú aktívne). Pre tieto médiá v Bouguerovom zákoneja = ja 0e- aX , absorpčný koeficient a - negatívny.

§ 7. Lasery - optické kvantové generátory

Začiatkom 60. rokov bol vytvorený kvantový generátor optického rozsahu - laser “ Zosilňovanie svetla pomocou stimulovanej emisie žiarenia “ - zosilnenie svetla indukovanou emisiou žiarenia. Vlastnosti laserového žiarenia: vysoká monochromatickosť (extrémne vysoká frekvencia svetla), ostrá priestorová orientácia, obrovský spektrálny jas.

Podľa zákonov kvantovej mechaniky nie je energia elektrónu v atóme ľubovoľná: môže mať iba určitý (diskrétny) rozsah hodnôt E 1, E 2, E 3 ... E n volal energetické hladiny. Tieto hodnoty sa líšia pre rôzne atómy. Súbor povolených energetických hodnôt sa nazýva energetické spektrum atóm. Za normálnych podmienok (pri absencii vonkajších vplyvov) je väčšina elektrónov v atómoch na najnižšej excitovanej úrovni E 1, t.j. atóm má minimálnu zásobu vnútornej energie; ostatné úrovne E 2 , E 3 ..... E n zodpovedajú vyššej energii atómu a sú tzv vzrušený.

Počas prechodu elektrónu z jednej energetickej úrovne na druhú môže atóm emitovať alebo absorbovať elektromagnetické vlny, ktorých frekvencia n m n \u003d (E m - E n) h,

kde h - Planckova konštanta ( h = 6,62 ± 34 J s);

E n - konečná, E m - Prvá úroveň.

Excitovaný atóm môže odovzdať časť svojej prebytočnej energie prijatej z vonkajšieho zdroja alebo ňou získanej v dôsledku tepelného pohybu elektrónov dvoma rôznymi spôsobmi.

Akýkoľvek excitovaný stav atómu je nestabilný a vždy existuje možnosť jeho spontánneho prechodu do stavu nižšej energie s emisiou kvanta elektromagnetického žiarenia. Takýto prechod je tzv spontánna(spontánna). Je nepravidelný a chaotický. Všetky bežné zdroje produkujú svetlo spontánnou emisiou.

Ide o prvý mechanizmus emisie (elektromagnetické žiarenie). V recenzovanom dvojúrovňová schéma emisie svetla, nie je možné dosiahnuť zosilnenie žiarenia. Absorbovaná energia h n uvoľnené ako kvantum s rovnakou energiou h n a môžete o tom hovoriť termodynamická rovnováha: procesy excitácie atómov v plyne sú vždy vyvážené opačnými procesmi emisie.

§2 Trojúrovňová schéma

V atómoch látky v termodynamickej rovnováhe každá nasledujúca excitovaná hladina obsahuje menej elektrónov ako predchádzajúca. Ak na systém pôsobíme budiacim žiarením s frekvenciou spadajúcou do rezonancie s prechodom medzi úrovňami 1 a 3 (schematicky 1→ 3), potom atómy absorbujú toto žiarenie a prejdú z úrovne 1 na úroveň 3. Ak je intenzita žiarenia dostatočne vysoká, potom počet atómov, ktoré prešli na úroveň 3, môže byť dosť významný a my, keď sme narušili rovnováhu rozloženie populácií úrovne zvýši populáciu úrovne 3, a preto zníži populáciu úrovne 1.

Z hornej tretej úrovne sú možné prechody 3→ 1 a 3 → 2. Ukázalo sa, že prechod 3→ 1 vedie k emisii energie E 3 -E 1 = h n 3-1 a prechod 3 → 2 nie je vyžarujúca: vedie k populácii „zhora“ strednej úrovne 2 (časť elektrónovej energie sa počas tohto prechodu odovzdá látke, čím ju zohreje). Táto druhá úroveň sa nazýva metastabilný a v dôsledku toho na ňom bude viac atómov ako na prvom. Keďže atómy prichádzajú na úroveň 2 z úrovne zeme 1 cez horný stav 3 a vracajú sa späť na úroveň zeme s „veľkým oneskorením“, úroveň 1 je „vyčerpaná“.

V dôsledku toho existuje inverzia, tie. inverzná inverzná distribúcia populácií úrovní. Populačná inverzia energetických hladín vzniká intenzívnym pomocným žiarením tzv žiarenie čerpadla a v konečnom dôsledku vedie k vyvolané(nútené) množenie fotónov v inverznom prostredí.

Rovnako ako v každom generátore, v laseri je potrebné získať režim generovania Spätná väzba. V laseri sa spätná väzba realizuje pomocou zrkadiel. Zosilňovacie (aktívne) médium je umiestnené medzi dvoma zrkadlami - ploché alebo častejšie konkávne. Jedno zrkadlo je vyrobené z masívu, druhé je čiastočne priehľadné.

„Semeno“ procesu generovania je spontánna emisia fotónu. V dôsledku pohybu tohto fotónu v médiu generuje lavínu fotónov letiacich rovnakým smerom. Po dosiahnutí priesvitného zrkadla sa lavína čiastočne odrazí a čiastočne prejde cez zrkadlo von. Po odraze od pravého zrkadla sa vlna vracia späť a stále silnie. Chôdza na diaľkul, dosiahne ľavé zrkadlo, odrazí sa a opäť sa ponáhľa k pravému zrkadlu.

Takéto podmienky sú vytvorené iba pre axiálne vlny. Kvanty iných smerov nie sú schopné odobrať značnú časť energie uloženej v aktívnom médiu.

Vlna vychádzajúca z lasera má takmer ploché čelo a vysoký stupeň priestorovej a časovej koherencie v celom priereze lúča.

V laseroch sa ako aktívne médium používajú rôzne plyny a zmesi plynov ( plynové lasery), kryštály a sklá s nečistotami určitých iónov ( pevnolátkové lasery), polovodiče ( polovodičové lasery).

Spôsoby budenia (v čerpacej sústave) závisia od typu aktívneho média. Ide buď o spôsob prenosu excitačnej energie v dôsledku zrážky častíc v plazme plynového výboja (plynové lasery), alebo prenos energie ožiarením aktívnych centier nekoherentným svetlom zo špeciálnych zdrojov (optické čerpanie v pevnolátkových laseroch), alebo injekcia nerovnovážnych nosičov cez p- n - prechod, buď budenie elektrónovým lúčom, alebo optické čerpanie (polovodičové lasery).

V súčasnosti bolo vytvorené extrémne veľké množstvo rôznych laserov, ktoré produkujú žiarenie v širokom rozsahu vlnových dĺžok (200¸ 2104 nm). Lasery pracujú s veľmi krátkymi svetelnými impulzmi. t » 1·10 -12 s môže tiež poskytnúť nepretržité žiarenie. Hustota toku energie laserového žiarenia je asi 10 10 W/cm 2 (intenzita Slnka je len 7·10 3 W/cm 2).

Laser je zariadenie, ktoré generuje koherentné elektromagnetické vlny vďaka stimulovanej emisii mikročastíc média, v ktorom vzniká vysoký stupeň excitácie jednej z energetických hladín.

LASER. - z angličtiny. zosilnenie svetla stimulovanou emisiou.

Optický kvantový generátor premieňa energiu pumpy na energiu koherentného monochromatického polarizovaného úzkeho smeru. Einstein predstavil koncept stimulovanej emisie. V roku 1939 prišiel ruský vedec Fabrikant k záveru o možnosti zosilnenia svetla pri prechode hmotou.

Pracovné podmienky. Princíp.

• - stimulovaná emisia. Keď fotón interaguje s excitovanou molekulou, svetlo sa zosilní. Počet vynútených prechodov závisí od počtu fotónov dopadajúcich za sekundu a počtu excitovaných elektrónov.
• - inverzná populácia energetických hladín – stav, kedy je na vyššej energetickej hladine viac častíc ako na nižšej. Aktívne médium je médium uvedené do stavu inverznej populácie. IN je možné vytvoriť iba odstránením TD z rovnovážneho stavu (metódy čerpania)
• 1) optické čerpanie priehľadných aktívnych médií využíva svetelné impulzy z externého zdroja.
• 2) elektrické výbojové čerpanie plynných aktívnych médií využíva elektrický náboj.
• 3) vstrekovacie čerpanie polovodičových aktívnych médií využíva el. prúd.
• 4) chemické čerpanie aktívneho média zo zmesi plynov využíva energiu chemikálie. reakcie medzi zložkami zmesi.

Laserové zariadenie:

• 1) pracovná tekutina - prostredie, ktoré sa vonkajším vplyvom uvádza do aktívneho stavu
• 2) čerpací systém - zariadenie na uvedenie pracovnej tekutiny do aktívneho stavu
• 3) optický rezonátor - dve ploché zrkadlá oproti sebe. V dôsledku viacerých odrazov dochádza k lavínovému vyžarovaniu fotónov. Keď intenzita dosiahne určitú hodnotu, začne sa generovať laserové žiarenie.

Vlastnosti laserového žiarenia:

• 1) vysoká monochromatickosť
• 2) koherencia - stálosť fázového rozdielu fotónov
• 3) vysoká intenzita až 1014-1016 W/kV.cm.
• 4) kolimácia
• 5) polarizácia - LI len v jednej rovine.
• 6) vysoký výkon až 10 (pri 5 st) wattoch.

rubínový laser.

Pracovnou kvapalinou je oxid Al + 0,05% oxid chrómu, čerpací systém je optický, vlnová dĺžka = 694,3 nm. Al má 2 energetické úrovne (zem a excitovaný). T \u003d 10 (v -8 st) s. Chróm má 3 energetické hladiny (základná, excitovaná, stredná), T = 10 (pri -3st) s. Al odovzdáva svoju energiu atómom chrómu, pomáha pri vzrušení. Chróm je aktívne médium.

Hélium-neónový laser.

Pracovnou kvapalinou je zmes héliových a neónových plynov v pomere 10 : 1. Tlak 150 Pa. Atómy neónu - emitujúce, hélium - pomocné. Čerpací systém - el. vypúšťanie. Vlnová dĺžka = 632,8 nm.

Pohltením fotónu sa atóm pohybuje z nižšej energetickej hladiny na vyššiu. Počas spontánneho prechodu na nižšiu úroveň atóm vyžaruje fotón. Pre atómy konkrétneho chemického prvku sú povolené len veľmi špecifické prechody medzi energetickými úrovňami. V dôsledku toho atómy pohlcujú len tie fotóny, ktorých energia presne zodpovedá energii prechodu atómu z jednej energetickej úrovne na druhú. Vizuálne sa to prejavuje existenciou individuálnych absorpčných spektier pre každý chemický prvok, ktoré obsahujú určitý súbor farebných pásov.

Fotón emitovaný atómom pri prechode na nižšiu energetickú hladinu má tiež veľmi špecifickú energiu, zodpovedajúcu energetickému rozdielu medzi energetickými hladinami. Z tohto dôvodu sú atómy schopné vyžarovať svetelné vlny iba určitých frekvencií. Tento efekt sa zreteľne prejavuje pri prevádzke žiariviek, často používaných v pouličnej reklame. Dutina takejto lampy je naplnená nejakým druhom inertného plynu, ktorého atómy sú excitované ultrafialovým žiarením, ku ktorému dochádza pri prechode elektrického prúdu cez špeciálnu vrstvu pokrývajúcu vnútorný povrch plášťa lampy. Po návrate do základného stavu dávajú atómy plynu žiaru určitej farby. Takže napríklad neón dáva červenú žiaru a argón dáva zelenú žiaru.

Spontánne (spontánne) prechody atómov z vyššej energetickej hladiny na nižšiu sú náhodné. Žiarenie generované v tomto prípade nemá vlastnosti laserového žiarenia: paralelnosť svetelných lúčov, koherencia (konzistencia amplitúd a fáz kmitov v čase a priestore), monochrómia (prísna monochromatickosť). Avšak už v roku 1917 Albert Einstein predpovedal existenciu indukovaných prechodov spolu so spontánnymi prechodmi na nižšiu energetickú hladinu. Následne sa táto možnosť realizovala pri návrhu laserov. Podstatou tohto javu je, že fotón svetelného toku, ktorý sa na svojej ceste stretne s excitovaným atómom, z neho vyrazí fotón s presne rovnakými vlastnosťami.

V dôsledku toho sa počet identických fotónov zdvojnásobí. Novovytvorený fotón je zase schopný generovať ďalší fotón jeho vyrazením z iného excitovaného atómu. Počet identických fotónov teda rastie ako lavína. Žiarenie generované v tomto prípade sa vyznačuje vysokým stupňom paralelnosti lúčov svetelného toku, koherencie a monochrómie, pretože obsahuje iba tie fotóny, ktoré majú rovnakú energiu a smer pohybu.