Ilarawan natin ang mga proseso ng quantum ng paglabas at pagsipsip ng mga photon ng mga atomo. Ang mga photon ay ibinubuga lamang ng mga nasasabik na atom. Sa pamamagitan ng paglabas ng photon, nawawalan ng enerhiya ang atom, at ang magnitude ng pagkawala na ito ay nauugnay sa dalas ng photon ng kaugnayan (3.12.7). Kung ang isang atom, sa ilang kadahilanan (halimbawa, dahil sa isang banggaan sa isa pang atom) ay napupunta sa isang nasasabik na estado, ang estado na ito ay hindi matatag. Samakatuwid, ang atom ay bumalik sa isang estado ng mas mababang enerhiya sa pamamagitan ng paglabas ng isang photon. Ang nasabing radiation ay tinatawag kusang-loob o kusang-loob. Kaya, ang kusang paglabas ay nangyayari nang walang panlabas na pagkilos at dahil lamang sa kawalang-tatag ng nasasabik na estado. Ang iba't ibang mga atom ay kusang nagliliwanag nang hiwalay sa isa't isa at bumubuo ng mga photon na nagpapalaganap sa iba't ibang direksyon. Bilang karagdagan, ang isang atom ay maaaring nasasabik sa iba't ibang mga estado, kaya naglalabas ito ng mga photon ng iba't ibang mga frequency. Samakatuwid, ang mga photon na ito ay hindi magkakaugnay.

Kung ang mga atomo ay nasa isang light field, kung gayon ang huli ay maaaring maging sanhi ng mga paglipat mula sa isang mas mababang antas patungo sa isang mas mataas, na sinamahan ng pagsipsip ng isang photon, at vice versa sa paglabas ng isang photon. Ang radiation na dulot ng epekto sa atom ng isang panlabas na electromagnetic wave na may resonant frequency, kung saan ang pagkakapantay-pantay (3.12.7) ay nasiyahan, ay tinatawag na sapilitan o pilit. Sa kaibahan sa kusang paglabas, dalawang photon ang lumalahok sa bawat pagkilos ng stimulated emission. Ang isa sa kanila ay kumakalat mula sa isang third-party na pinagmulan at kumikilos sa atom, at ang isa ay ibinubuga ng atom bilang resulta ng epektong ito. Ang isang tampok na katangian ng stimulated emission ay ang eksaktong pagkakataon ng estado ng emitted photon sa estado ng panlabas. Ang parehong mga photon ay may parehong mga wave vector at polarization, ang parehong mga photon ay mayroon ding parehong mga frequency at phase. Nangangahulugan ito na ang mga photon ng stimulated emission ay palaging magkakaugnay sa mga photon na naging sanhi ng paglabas na ito. Ang mga atomo sa light field ay maaari ding sumipsip ng mga photon, bilang isang resulta kung saan ang mga atom ay nasasabik. Ang matunog na pagsipsip ng mga photon ng mga atom ay palaging isang sapilitan na proseso na nagaganap lamang sa larangan ng panlabas na radiation. Sa bawat pagkilos ng pagsipsip, isang photon ang nawawala, at ang atom ay pumasa sa isang estado na may mas mataas na enerhiya.

Anong mga proseso ang mangingibabaw sa pakikipag-ugnayan ng mga atomo sa radiation, paglabas o pagsipsip ng mga photon, ay depende sa bilang ng mga atom na may mas mataas o mas mababang enerhiya.

Inilapat ni Einstein ang mga probabilistikong pamamaraan upang ilarawan ang mga proseso ng kusang-loob at pinasiglang paglabas. Batay sa thermodynamic na pagsasaalang-alang, pinatunayan niya na ang posibilidad ng stimulated transition na sinamahan ng radiation ay dapat na katumbas ng probabilidad ng stimulated transition na sinamahan ng pagsipsip ng liwanag. Kaya, ang mga sapilitang paglipat ay maaaring mangyari na may pantay na posibilidad pareho sa isang direksyon at sa isa pa.

Isaalang-alang natin ngayon ang maraming magkaparehong mga atomo sa isang light field, na ipagpalagay natin na isotropic at unpolarized. (Pagkatapos ang tanong ng pag-asa ng mga coefficient na ipinakilala sa ibaba sa polariseysyon at direksyon ng radiation ay mawala.) Hayaan at maging ang mga bilang ng mga atom sa mga estado na may mga energies at , at ang mga estadong ito ay maaaring kunin ng alinman sa bilang ng mga tinatanggap na estado, pero . at tinatawag populasyon ng mga antas ng enerhiya. Ang bilang ng mga paglipat ng mga atom mula sa estado patungo sa estado bawat yunit ng oras sa panahon ng kusang paglabas ay magiging proporsyonal sa bilang ng mga atomo sa estado:

Magiging proporsyonal din sa populasyon ang bilang ng mga transition ng mga atomo sa pagitan ng parehong mga estado sa panahon ng stimulated emission. P - ika-level, ngunit din ang spectral energy density ng radiation sa larangan kung saan ang mga atom ay:

Ang bilang ng mga transition mula sa t - wow on P - ika antas dahil sa pakikipag-ugnayan sa radiation

Ang mga dami ay tinatawag na Einstein coefficients.

Ang equilibrium sa pagitan ng matter at radiation ay makakamit kung ang bilang ng mga atom na gumagawa ng paglipat mula sa estado bawat yunit ng oras P sa isang estado t ay magiging katumbas ng bilang ng mga atom na gumagawa ng paglipat sa tapat na direksyon:

Tulad ng nabanggit na, ang posibilidad ng sapilitang paglipat sa isang direksyon at ang isa ay pareho. kaya lang .

Pagkatapos mula sa (3.16.4) mahahanap ng isa ang density ng enerhiya ng radiation

Ang pamamahagi ng equilibrium ng mga atomo sa mga estado na may iba't ibang enerhiya ay tinutukoy ng batas ng Boltzmann

Pagkatapos mula sa (3.16.5) makuha namin

Alin ang sumasang-ayon sa formula ni Planck (3.10.23). Ang kasunduang ito ay humahantong sa konklusyon tungkol sa pagkakaroon ng stimulated emission.

Mga laser.

Noong 50s ng ikadalawampu siglo, ang mga aparato ay nilikha, kapag dumadaan kung saan ang mga electromagnetic wave ay pinalakas dahil sa stimulated radiation. Una, ang mga generator ay nilikha na nagtrabaho sa hanay ng sentimetro ng alon, at ilang sandali ay nilikha ang isang katulad na aparato na nagtrabaho sa optical range. Ito ay pinangalanan pagkatapos ng mga unang titik ng Ingles na pangalang Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (light amplification by stimulated emission) - laser. Tinatawag din ang mga laser optical quantum generators.

Upang ang intensity ng radiation ay tumaas sa panahon ng pagpasa ng bagay, kinakailangan na para sa bawat pares ng mga estado ng atom, ang mga paglipat sa pagitan ng kung saan ay nangyayari sa paglabas at pagsipsip ng mga photon, ang populasyon ng mas mataas na estado ng enerhiya ay mas malaki kaysa sa populasyon ng mas mababang estado ng enerhiya. Nangangahulugan ito na ang thermal equilibrium ay dapat mabalisa. Sinasabi na ang isang sangkap kung saan ang mas mataas na estado ng enerhiya ng mga atom ay mas maraming tao kaysa sa mas mababang estado ng enerhiya pagbabaligtad ng populasyon.

Ang pagdaan sa materya na may pagbaligtad ng populasyon ng dalawang atomic na estado, ang radiation ay pinayaman ng mga photon, na nagiging sanhi ng mga paglipat sa pagitan ng mga atomic na estado na ito. Bilang resulta, ang isang magkakaugnay na amplification ng radiation ay nangyayari sa isang tiyak na dalas, kapag ang sapilitan na paglabas ng mga photon ay nanaig sa kanilang pagsipsip sa panahon ng mga paglipat ng mga atomo sa pagitan ng mga estado na may pagbaligtad ng populasyon. Ang isang sangkap na may pagbabaligtad ng populasyon ay tinatawag na isang aktibong daluyan.

Upang lumikha ng isang estado na may pagbaligtad ng populasyon, kinakailangan na gumastos ng enerhiya, paggastos nito sa pagtagumpayan ng mga proseso na nagpapanumbalik ng pamamahagi ng balanse. Ang epektong ito sa isang sangkap ay tinatawag pumped. Ang enerhiya ng bomba ay palaging nagmumula sa isang panlabas na mapagkukunan patungo sa aktibong daluyan.

Mayroong iba't ibang mga paraan ng pumping. Upang lumikha ng antas ng pagbaligtad ng populasyon sa mga laser, ang tatlong antas na paraan ay kadalasang ginagamit. Isaalang-alang natin ang kakanyahan ng pamamaraang ito gamit ang ruby ​​​​laser bilang isang halimbawa.

Ang Ruby ay isang aluminum oxide kung saan ang ilan sa mga aluminum atoms ay pinapalitan ng chromium atoms. Ang spectrum ng enerhiya ng mga atomo (ions) ng chromium ay naglalaman ng tatlong antas (Fig. 3.16.1) na may mga energies , at . Ang itaas na antas ay talagang isang medyo malawak na banda na nabuo sa pamamagitan ng isang hanay ng mga malapit na pagitan ng mga antas.

R

Ang pangunahing tampok ng tatlong antas na sistema ay ang antas 2, mas mababa sa antas 3, ay dapat na antas ng metatable. Nangangahulugan ito na ang paglipat sa naturang sistema ay ipinagbabawal ng mga batas ng quantum mechanics. Ang pagbabawal na ito ay nauugnay sa isang paglabag sa mga panuntunan para sa pagpili ng mga quantum number para sa naturang paglipat. Ang mga panuntunan sa pagpili ay hindi ganap na mga panuntunang hindi tumatalon. Gayunpaman, ang kanilang paglabag para sa ilang quantum transition ay makabuluhang binabawasan ang posibilidad nito. Kapag nasa ganoong metastable na estado, ang atom ay nananatili sa loob nito. Kasabay nito, ang buhay ng isang atom sa isang metastable na estado () ay daan-daang libong beses na mas malaki kaysa sa buhay ng isang atom sa isang ordinaryong excited na estado (). Ginagawa nitong posible na maipon ang mga nasasabik na atom na may enerhiya. Samakatuwid, ang isang kabaligtaran na populasyon ng mga antas 1 at 2 ay nilikha.

Ang proseso samakatuwid ay nagpapatuloy tulad ng sumusunod. Sa ilalim ng pagkilos ng berdeng ilaw mula sa isang flash lamp, ang mga chromium ions ay dumadaan mula sa ground state patungo sa isang excited na estado. Ang reverse transition ay nangyayari sa dalawang yugto. Sa unang yugto, ang mga nasasabik na ion ay nagbibigay ng bahagi ng kanilang enerhiya sa kristal na sala-sala at pumasa sa isang metastable na estado. Ang isang kabaligtaran na populasyon ng estadong ito ay nilikha. Kung ngayon ang isang photon na may wavelength na 694.3 nm ay lilitaw sa isang ruby ​​​​na dinala sa ganoong estado (halimbawa, bilang isang resulta ng isang kusang paglipat mula sa antas hanggang ), kung gayon ang sapilitan na paglabas ay hahantong sa pagpaparami. ng mga photon, eksaktong pagkopya ng orihinal (magkakaugnay). Ang prosesong ito ay may mala-avalanche na karakter at humahantong sa paglitaw ng napakaraming bilang lamang ng mga photon na iyon na kumakalat sa maliliit na anggulo sa laser axis. Ang ganitong mga photon, na paulit-ulit na sinasalamin mula sa mga salamin ng optical na lukab ng laser, ay naglalakbay sa isang mahabang landas dito at, dahil dito, nakatagpo ng mga nasasabik na chromium ions nang napakaraming beses, na nagiging sanhi ng kanilang sapilitan na mga paglipat. Ang photon flux pagkatapos ay nagpapalaganap makitid na sinag,

Ang mga Ruby laser ay gumagana sa isang pulsed mode. Noong 1961, ang unang gas laser batay sa pinaghalong helium at neon ay nilikha, na tumatakbo sa tuluy-tuloy na mode. Pagkatapos ay nilikha ang mga semiconductor laser. Sa kasalukuyan, ang listahan ng mga materyales ng laser ay kinabibilangan ng maraming dose-dosenang solid at gas na mga sangkap.

Mga katangian ng laser radiation.

Ang laser radiation ay may mga katangian na hindi taglay ng radiation mula sa kumbensyonal (hindi laser) na pinagmumulan.

1. Ang laser radiation ay may mataas na antas ng monochromaticity. Ang pagitan ng wavelength ng naturang radiation ay ~ 0.01 nm.

2. Ang laser radiation ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na temporal at spatial na pagkakaugnay. Ang oras ng pagkakaugnay ng naturang radiation ay umaabot ng mga segundo (ang haba ng pagkakaugnay ay humigit-kumulang m), na humigit-kumulang beses na mas mahaba kaysa sa oras ng pagkakaugnay ng isang kumbensyonal na pinagmulan. Ang spatial na pagkakaugnay-ugnay sa laser outlet ay pinananatili sa buong beam cross section. Sa tulong ng isang laser, posibleng makakuha ng liwanag na ang dami ng coherence ay ilang beses na mas malaki kaysa sa coherence volume ng light waves ng parehong intensity na nakuha mula sa pinaka-monochromatic non-laser sources. Samakatuwid, ang laser radiation ay ginagamit sa holography, kung saan ang radiation na may mataas na antas ng pagkakaugnay ay kinakailangan.

Ang mga proseso ng pagbuo at muling pagsasama-sama ng mga tagadala ng singil ay hindi mapaghihiwalay sa isa't isa, bagama't sila ay kabaligtaran sa nilalaman. Ang enerhiya sa panahon ng recombination ay maaaring ilabas alinman sa anyo ng isang photon (radiative recombination), o sa anyo ng isang ponon (nonradiative recombination).

Sa mga nakalipas na taon, maraming uri ng mga device ang binuo na nagko-convert ng mga electrical signal sa liwanag. Ang prinsipyo ng kanilang operasyon ay batay sa tinatawag na recombination radiation - ang radiation ng light quanta sa panahon ng direktang recombination acts ng electron-hole pairs.

Para sa matinding recombination, kinakailangan na sabay-sabay na magkaroon ng mataas na density ng mga electron sa conduction band at isang mataas na density ng mga libreng antas (butas) sa valence band.

Ang ganitong mga kondisyon ay nilikha sa isang mataas na antas ng iniksyon ng elektron sa isang hole semiconductor na may mataas na konsentrasyon ng mga acceptor.

Obvious naman yun Upang maganap ang radiative recombination na tumutugma sa mga direktang transition, kinakailangan na ang semiconductor ay may naaangkop na istraktura ng banda: ang extrema ng valence band at ang conduction band ay dapat na tumutugma sa parehong halaga ng wave vector .

Sa kasalukuyan, ang isang bilang ng mga semiconductor compound ng mga uri A III B V, A II B VI, pati na rin ang iba pang binary (SiC) at ternary system (tulad ng GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe, atbp.) ay pinag-aralan, kung saan p-n- junctions na naglalabas ng magaan na vibrations kapag naka-on sa pasulong na direksyon. Ang nasabing semiconductor light source ay maaaring maging lubhang kapaki-pakinabang para sa iba't ibang mga application, gaya ng mga indicating device.

Sa pamamagitan ng doping ng isang semiconductor na may ilang mga impurities, posibleng baguhin ang recombination energy at, dahil dito, ang wavelength ng emitted light dahil sa impurity band. Kaya, ang mga p-n junction sa GaP ay nagbibigay ng dalawang emission maxima: 5650 at 7000 Å. Ang mga junction ng P-n sa GaAsP ay nagbibigay ng luminescence sa hanay mula 6000 hanggang 7000 Å. Ang luminescence sa wavelength range na 5600-6300 Å ay maaaring makuha gamit ang mga silicon carbide junction. Ang operasyon sa radiative recombination mode ay nangyayari sa medyo mataas na kasalukuyang densidad (ilang daang amperes bawat square centimeter) na may quantum yield na mga 0.5-1.5%.

Sa mas mataas na kasalukuyang density na higit sa 500 a / cm 2 at umabot ng ilang libo a / cm 2, lumilitaw ang isang qualitatively new phenomenon -

Sa mga panlabas na boltahe sa junction na papalapit sa potensyal na pagkakaiba ng contact (na tumutugma sa napakataas na kasalukuyang densidad), ang mga sumusunod ay nangyayari: tinawag pagbabaligtad ng populasyon . Ang density ng mga antas na inookupahan ng mga electron sa conduction band ay nagiging mas mataas kaysa sa density ng mga antas na inookupahan ng mga electron malapit sa tuktok ng valence band.

Ang halaga ng kasalukuyang density kung saan nangyayari ang pagbaligtad ng populasyon ay tinatawag kasalukuyang threshold.

Sa mga alon sa ibaba ng threshold, nagaganap ang mga random na pagkilos ng recombination; tinatawag na kusang paglabas.

Sa mga agos sa itaas ng threshold, nagiging sanhi ng isang light quantum na dumadaan sa isang semiconductor stimulated emission - sabay-sabay na recombination ng isang bilang ng mga carrier ng bayad. Sa kasong ito, nangyayari ang amplification o henerasyon magkakaugnay light vibrations, ibig sabihin, vibrations na may parehong phase.

Kaya, sa kasalukuyang mga densidad na lumalampas sa halaga ng threshold, ang ilang mga uri ng semiconductor p-n junctions ay maaaring maging mapagkukunan. laser radiation. Ang bentahe ng semiconductor lasers ay hindi sila nangangailangan ng optical pumping. Dito, ang papel na ginagampanan ng optical pumping ay ginagampanan ng mga agos ng iniksyon na lumilikha ng isang kabaligtaran na populasyon. Ang mga semiconductor laser ay maaaring magkaroon ng kahusayan na higit sa 50% at partikular na kapaki-pakinabang sa iba pang mga uri ng laser kapag ginamit sa patuloy na operasyon.

Ang pinakakaraniwang materyal para sa laser pn junctions ay gallium arsenide. Gamit ang p-n-junctions sa gallium arsenide sa tuluy-tuloy na mode, posibleng makakuha ng mga unit ng watts ng halos monochromatic radiation na may wavelength na 8400 Å sa liquid nitrogen temperature. Sa temperatura ng silid, ang wavelength ay tumataas sa 9000 Å.

Ang kabaligtaran na populasyon sa mga semiconductors ay maaaring malikha hindi lamang sa pamamagitan ng iniksyon, kundi pati na rin ng iba pang mga pamamaraan, halimbawa, sa pamamagitan ng paggulo ng mga electron gamit ang isang electron beam.

§ 6 Pagsipsip.

Spontaneous at stimulated emission

Sa ilalim ng normal na mga kondisyon (sa kawalan ng mga panlabas na impluwensya), karamihan sa mga electron sa mga atom ay nasa pinakamababang antas ng hindi nasasabik. E 1 , ibig sabihin. ang isang atom ay may pinakamababang suplay ng panloob na enerhiya, ang natitirang mga antas E 2 , E 3 ....E n naaayon sa mga nasasabik na estado, may pinakamababang populasyon ng mga electron o libre sa lahat. Kung ang atom ay nasa ground state na may E 1 , pagkatapos ay sa ilalim ng pagkilos ng panlabas na radiation, isang sapilitang paglipat sa isang nasasabik na estado na may E 2. Ang posibilidad ng naturang mga transition ay proporsyonal sa density ng radiation na nagiging sanhi ng mga transition na ito.

Ang isang atom, na nasa isang nasasabik na estado 2, ay maaaring, pagkatapos ng ilang oras, kusang-loob (nang walang mga panlabas na impluwensya) na pumasa sa isang estado na may mas mababang enerhiya, na nagbibigay ng labis na enerhiya sa anyo ng electromagnetic radiation, i.e. naglalabas ng photon.

Ang proseso ng paglabas ng isang photon ng isang nasasabik na atom na walang anumang panlabas na impluwensya ay tinatawag kusang (spontaneous) emission. Kung mas malaki ang posibilidad ng mga kusang paglipat, mas maikli ang average na buhay ng isang atom sa isang nasasabik na estado. kasi ang mga kusang paglipat ay hindi magkakaugnay, kung gayon ang kusang paglabas ay hindi magkakaugnay.

Kung ang isang atom sa nasasabik na estado 2 ay nalantad sa panlabas na radiation na may dalas na nagbibigay-kasiyahanhn = E 2 - E 1 , pagkatapos ay mayroong sapilitang (induced) na paglipat sa ground state 1 na may paglabas ng isang photon na may parehong enerhiyahn = E 2 - E isa. Sa gayong paglipat, nangyayari ang radiation ng isang atom dagdag pa sa photon kung saan naganap ang paglipat. Ang radiation na nagreresulta mula sa panlabas na pagkakalantad ay tinatawag pilit. Kaya, sa proseso stimulated emission dalawang photon ang kasangkot: isang pangunahing photon na nagdudulot ng paglabas ng radiation ng nasasabik na atom, at isang pangalawang photon na ibinubuga ng atom. Mga pangalawang photon hindi makikilala mula sa elementarya.

Pinatunayan nina Einstein at Dirac na ang stimulated emission ay kapareho ng stimulating emission: mayroon silang parehong phase, frequency, polarization, at direksyon ng propagation.Þ Pinasiglang paglabas mahigpit na magkakaugnay na may sapilitang pagpapalabas.

Ang mga ibinubuga na photon, na gumagalaw sa isang direksyon at nakakatugon sa iba pang nasasabik na mga atomo, ay nagpapasigla ng higit pang sapilitan na mga paglipat, at ang bilang ng mga photon ay lumalaki tulad ng isang avalanche. Gayunpaman, kasama ng stimulated emission, ang pagsipsip ay magaganap. Samakatuwid, upang palakasin ang radiation ng insidente, kinakailangan na ang bilang ng mga photon sa stimulated emissions (na proporsyonal sa populasyon ng mga excited na estado) ay lumampas sa bilang ng mga na-absorb na photon. Sa system, ang mga atom ay nasa thermodynamic equilibrium, ang pagsipsip ay mangingibabaw kaysa sa stimulated emission, i.e. Ang radiation ng insidente ay mapapahina habang ito ay dumadaan sa bagay.

Upang ang daluyan ay palakasin ang insidente ng radiation dito, kinakailangan na lumikha di-equilibrium na estado ng system, kung saan ang bilang ng mga atomo sa estadong nasasabik ay mas malaki kaysa sa nasa lupang estado. Ang ganitong mga estado ay tinatawag estado na may pagbabaligtad ng populasyon. Ang proseso ng paglikha ng di-equilibrium na estado ng bagay ay tinatawag pumped. Ang pumping ay maaaring gawin sa pamamagitan ng optical, electrical at iba pang pamamaraan.

Sa media na may baligtad na populasyon, ang stimulated emission ay maaaring lumampas sa absorption, i.e. ang radiation ng insidente ay lalakas kapag dumaan sa medium (tinatawag na active ang media na ito). Para sa mga media sa batas ni Bouguerako = ako 0e- ax , koepisyent ng pagsipsip a - negatibo.

§ 7. Laser - optical quantum generators

Noong unang bahagi ng 60s, nilikha ang isang quantum generator ng optical range - isang laser " Light Amplification sa pamamagitan ng Stimulated emission of Radiation ” - pagpapalakas ng liwanag sa pamamagitan ng sapilitan na paglabas ng radiation. Mga katangian ng laser radiation: mataas na monochromaticity (napakataas na dalas ng liwanag), matalim na spatial na oryentasyon, napakalaking spectral na ningning.

Ayon sa mga batas ng quantum mechanics, ang enerhiya ng isang electron sa isang atom ay hindi arbitrary: maaari lamang itong magkaroon ng isang tiyak (discrete) na hanay ng mga halaga E 1, E 2, E 3 ... E n tinawag mga antas ng enerhiya. Ang mga halagang ito ay naiiba para sa iba't ibang mga atomo. Ang hanay ng mga pinahihintulutang halaga ng enerhiya ay tinatawag spectrum ng enerhiya atom. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon (sa kawalan ng mga panlabas na impluwensya), karamihan sa mga electron sa mga atom ay nasa pinakamababang antas ng excited E 1, i.e. ang isang atom ay may pinakamababang suplay ng panloob na enerhiya; ibang mga antas E 2 , E 3 ..... E n tumutugma sa mas mataas na enerhiya ng atom at tinatawag nasasabik.

Sa panahon ng paglipat ng isang elektron mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa, ang isang atom ay maaaring maglabas o sumipsip ng mga electromagnetic wave, ang dalas ng kung saan n m n \u003d (E m - E n) h,

kung saan h - pare-pareho ni Planck ( h = 6.62 10 -34 J s);

E n - pangwakas, E m - Unang antas.

Ang isang nasasabik na atom ay maaaring magbigay ng ilan sa labis na enerhiya nito, na natanggap mula sa isang panlabas na mapagkukunan o nakuha nito bilang resulta ng thermal motion ng mga electron, sa dalawang magkaibang paraan.

Ang anumang nasasabik na estado ng isang atom ay hindi matatag, at palaging may posibilidad ng kusang paglipat nito sa isang mas mababang estado ng enerhiya na may paglabas ng isang electromagnetic radiation quantum. Ang ganitong paglipat ay tinatawag kusang-loob(kusang). Ito ay hindi regular at magulo. Lahat ng ordinaryong pinagmumulan ay gumagawa ng liwanag sa pamamagitan ng kusang paglabas.

Ito ang unang mekanismo ng paglabas (electromagnetic radiation). Sa sinuri dalawang antas na pamamaraan ang paglabas ng liwanag, walang amplification ng radiation ang maaaring makamit. Sumisipsip ng enerhiya h n inilabas bilang isang quantum na may parehong enerhiya h n at maaari mong pag-usapan thermodynamic equilibrium: ang mga proseso ng paggulo ng mga atomo sa isang gas ay palaging balanse ng mga reverse na proseso ng paglabas.

§2 Tatlong antas na pamamaraan

Sa mga atomo ng isang sangkap sa thermodynamic equilibrium, ang bawat kasunod na antas ng excited ay naglalaman ng mas kaunting mga electron kaysa sa nauna. Kung kumilos tayo sa system na may kapana-panabik na radiation na may dalas na bumabagsak sa resonance sa paglipat sa pagitan ng mga antas 1 at 3 (schematically 1→ 3), kung gayon ang mga atomo ay sumisipsip ng radiation na ito at pumasa mula sa antas 1 hanggang sa antas 3. Kung ang intensity ng radiation ay sapat na mataas, kung gayon ang bilang ng mga atomo na dumaan sa antas 3 ay maaaring maging makabuluhan, at tayo, na lumabag sa ekwilibriyo pamamahagi ng mga antas ng populasyon, tataas ang populasyon sa antas 3 at samakatuwid ay babawasan ang populasyon ng antas 1.

Mula sa itaas na ikatlong antas, posible ang mga paglipat 3→ 1 at 3 → 2. Lumalabas na ang paglipat 3→ 1 ay humahantong sa paglabas ng enerhiya E 3 -E 1 = h n 3-1 , at transition 3 → Ang 2 ay hindi radiative: humahantong ito sa "mula sa itaas" na populasyon ng intermediate level 2 (bahagi ng enerhiya ng elektron ay ibinibigay sa sangkap sa panahon ng paglipat na ito, pinainit ito). Ang pangalawang antas na ito ay tinatawag metatable, at bilang resulta magkakaroon ng mas maraming atomo dito kaysa sa una. Dahil ang mga atom ay dumating sa level 2 mula sa ground level 1 hanggang sa upper state 3, at bumalik sa ground level na may "malaking delay", pagkatapos ay level 1 ay "depleted".

Bilang resulta, mayroon pagbabaligtad, mga. baligtad na baligtad na pamamahagi ng mga antas ng populasyon. Ang pagbabaligtad ng populasyon ng mga antas ng enerhiya ay nilikha ng isang matinding auxiliary radiation na tinatawag radiation ng bomba at sa huli ay humahantong sa sapilitan(sapilitang) pagpaparami ng mga photon sa isang inverse medium.

Tulad ng sa anumang generator, sa isang laser, upang makuha ang mode ng henerasyon, ito ay kinakailangan Feedback. Sa isang laser, ipinapatupad ang feedback gamit ang mga salamin. Ang amplifying (aktibo) na daluyan ay inilalagay sa pagitan ng dalawang salamin - patag o mas madalas na malukong. Ang isang salamin ay ginawang solid, ang isa ay bahagyang transparent.

Ang "binhi" para sa proseso ng henerasyon ay ang kusang paglabas ng isang photon. Bilang resulta ng paggalaw ng photon na ito sa medium, ito ay bumubuo ng avalanche ng mga photon na lumilipad sa parehong direksyon. Ang pagkakaroon ng naabot sa isang translucent na salamin, ang avalanche ay bahagyang makikita, at bahagyang dadaan sa salamin sa labas. Pagkatapos ng pagmuni-muni mula sa kanang salamin, ang alon ay bumalik, na patuloy na lumalakas. Naglalakad sa malayol, umabot ito sa kaliwang salamin, naaaninag at muling sumugod sa kanang salamin.

Ang ganitong mga kondisyon ay nilikha lamang para sa mga axial wave. Ang quanta ng iba pang mga direksyon ay hindi nakakakuha ng isang kapansin-pansing bahagi ng enerhiya na nakaimbak sa aktibong medium.

Ang alon na umuusbong mula sa laser ay may halos patag na harap at isang mataas na antas ng spatial at temporal na pagkakaugnay-ugnay sa buong beam cross section.

Sa mga laser, ang iba't ibang mga gas at gas mixtures ay ginagamit bilang isang aktibong daluyan ( mga gas laser), mga kristal at baso na may mga dumi ng ilang partikular na ion ( solid state lasers), semiconductor ( mga laser ng semiconductor).

Ang mga paraan ng paggulo (sa pumping system) ay nakasalalay sa uri ng aktibong daluyan. Ito ay alinman sa isang paraan ng paglilipat ng enerhiya ng paggulo bilang resulta ng banggaan ng mga particle sa isang gas discharge plasma (gas lasers), o paglilipat ng enerhiya sa pamamagitan ng pag-irradiating ng mga aktibong sentro na may hindi magkakaugnay na liwanag mula sa mga espesyal na mapagkukunan (optical pumping sa solid-state lasers), o iniksyon ng nonequilibrium carriers sa pamamagitan ng p- n - paglipat, alinman sa paggulo sa pamamagitan ng isang electron beam, o optical pumping (semiconductor lasers).

Sa kasalukuyan, isang napakalaking bilang ng iba't ibang mga laser ang nalikha na gumagawa ng radiation sa isang malawak na hanay ng mga wavelength (200¸ 2 10 4 nm). Gumagana ang mga laser na may napakaikling pulso ng liwanag. t » 1·10 -12 s ay maaari ding magbigay ng tuluy-tuloy na radiation. Ang density ng flux ng enerhiya ng laser radiation ay humigit-kumulang 10 10 W/cm 2 (ang intensity ng Araw ay 7·10 3 W/cm 2 lamang).

Ang laser ay isang aparato na bumubuo ng magkakaugnay na mga electromagnetic wave dahil sa pinasigla na paglabas ng mga microparticle ng daluyan, kung saan ang isang mataas na antas ng paggulo ng isa sa mga antas ng enerhiya ay nilikha.

LASER. - mula sa Ingles. amplification ng liwanag sa pamamagitan ng stimulated emission.

Kino-convert ng optical quantum generator ang pump energy sa enerhiya ng magkakaugnay na monochromatic polarized na makitid na direksyon. Ipinakilala ni Einstein ang konsepto ng stimulated emission. Noong 1939, ang Russian scientist na si Fabrikant ay dumating sa konklusyon tungkol sa posibilidad ng light amplification kapag dumadaan sa bagay.

Mga kondisyon sa pagtatrabaho. Prinsipyo.

• - stimulated emission. Kapag ang isang photon ay nakikipag-ugnayan sa isang nasasabik na molekula, ang liwanag ay pinalakas. Ang bilang ng mga sapilitang paglipat ay nakasalalay sa bilang ng mga photon na insidente sa bawat segundo at ang bilang ng mga excited na electron.
• - kabaligtaran na populasyon ng mga antas ng enerhiya - isang estado kung saan mayroong mas maraming mga particle sa isang mas mataas na antas ng enerhiya kaysa sa isang mas mababa. Ang aktibong daluyan ay isang daluyan na dinala sa isang estado ng baligtad na populasyon. Posible na lumikha ng isang IN lamang sa pamamagitan ng pag-alis ng TD mula sa estado ng equilibrium (pumping method)
• 1) ang optical pumping ng transparent active media ay gumagamit ng mga light pulse mula sa panlabas na pinagmulan.
• 2) electric discharge pumping ng gaseous active media ay gumagamit ng electric charge.
• 3) injection pumping ng semiconductor active media ay gumagamit ng el. kasalukuyang.
• 4) chemical pumping ng aktibong daluyan mula sa pinaghalong mga gas ay gumagamit ng enerhiya ng kemikal. mga reaksyon sa pagitan ng mga bahagi ng pinaghalong.

Laser device:

• 1) working fluid - isang kapaligiran na dinadala sa isang aktibong estado ng isang panlabas na impluwensya
• 2) pumping system - isang aparato para sa pagdadala ng gumaganang likido sa isang aktibong estado
• 3) optical resonator - dalawang flat mirror na nakaharap sa isa't isa. Dahil sa maraming pagmuni-muni, nangyayari ang isang mala-avalanche na paglabas ng mga photon. Kapag ang intensity ay umabot sa isang tiyak na halaga, ang henerasyon ng laser radiation ay magsisimula.

Mga tampok ng laser radiation:

• 1) mataas na monochromaticity
• 2) pagkakaugnay-ugnay - ang katatagan ng pagkakaiba sa bahagi ng mga photon
• 3) mataas na intensity hanggang 1014-1016 W/kV.cm.
• 4) collimation
• 5) polariseysyon - LI lamang sa isang eroplano.
• 6) mataas na kapangyarihan hanggang sa 10 (sa 5 st) watts.

ruby laser.

Ang gumaganang likido ay Al oxide + 0.05% chromium oxide, ang pumping system ay optical, wavelength = 694.3 nm. Ang Al ay may 2 antas ng enerhiya (ground at excited). T \u003d 10 (sa -8 st) s. Ang Chromium ay may 3 antas ng enerhiya (basic, excited, intermediate), T = 10 (sa -3st) s. Inilipat ni Al ang enerhiya nito sa mga chromium atoms, nakakatulong na matuwa. Ang Chromium ay isang aktibong medium.

Helium-neon laser.

Ang gumaganang likido ay isang pinaghalong helium at neon gas sa isang ratio na 10: 1. Presyon 150 Pa. Mga atom ng neon - nagpapalabas, helium - pantulong. Sistema ng pumping - el. discharge. Haba ng daluyong = 632.8 nm.

Sa pamamagitan ng pagsipsip ng isang photon, ang isang atom ay gumagalaw mula sa isang mas mababang antas ng enerhiya patungo sa isang mas mataas. Sa panahon ng kusang paglipat sa isang mas mababang antas, ang isang atom ay naglalabas ng isang photon. Para sa mga atomo ng isang partikular na elemento ng kemikal, tanging mga napaka-espesipikong mga transition sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ang pinapayagan. Bilang resulta, ang mga atom ay sumisipsip lamang ng mga photon na ang enerhiya ay eksaktong tumutugma sa enerhiya ng paglipat ng isang atom mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa. Biswal, ito ay nagpapakita ng sarili sa pagkakaroon ng indibidwal na spectra ng pagsipsip para sa bawat elemento ng kemikal, na naglalaman ng isang tiyak na hanay ng mga banda ng kulay.

Ang photon na ibinubuga ng isang atom sa panahon ng paglipat sa isang mas mababang antas ng enerhiya ay mayroon ding isang tiyak na enerhiya, na tumutugma sa pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng mga antas ng enerhiya. Para sa kadahilanang ito, ang mga atom ay nakakapaglabas lamang ng mga light wave ng ilang mga frequency. Ang epektong ito ay malinaw na ipinakita sa pagpapatakbo ng mga fluorescent lamp, kadalasang ginagamit sa advertising sa kalye. Ang lukab ng naturang lampara ay puno ng ilang uri ng inert gas, ang mga atomo nito ay nasasabik ng ultraviolet radiation, na nangyayari kapag ang isang electric current ay dumaan sa isang espesyal na layer na sumasakop sa panloob na ibabaw ng lampara. Pagbabalik sa ground state, ang mga atom ng gas ay nagbibigay ng glow ng isang tiyak na kulay. Kaya, halimbawa, ang neon ay nagbibigay ng pulang glow, at ang argon ay nagbibigay ng berdeng glow.

Ang mga kusang (spontaneous) na paglipat ng mga atom mula sa mas mataas na antas ng enerhiya patungo sa mas mababang antas ay random. Ang radiation na nabuo sa kasong ito ay walang mga katangian ng laser radiation: parallelism ng mga light beam, pagkakaugnay-ugnay (pagkakapare-pareho ng mga amplitude at mga yugto ng mga oscillations sa oras at espasyo), monochrome (mahigpit na monochromaticity). Gayunpaman, noong 1917, hinulaan ni Albert Einstein ang pagkakaroon ng sapilitan na mga paglipat kasama ang mga kusang paglipat sa isang mas mababang antas ng enerhiya. Kasunod nito, ang posibilidad na ito ay natanto sa disenyo ng mga laser. Ang kakanyahan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang isang photon ng isang liwanag na pagkilos ng bagay, na nakakatugon sa isang nasasabik na atom sa kanyang paraan, ay nagpapatumba ng isang photon mula dito na may eksaktong parehong mga katangian.

Bilang resulta, dumoble ang bilang ng magkaparehong mga photon. Ang bagong nabuong photon, sa turn, ay nakakagawa ng isa pang photon sa pamamagitan ng pag-knock out nito mula sa isa pang nasasabik na atom. Kaya, ang bilang ng magkatulad na mga photon ay lumalaki tulad ng isang avalanche. Ang radiation na nabuo sa kasong ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang mataas na antas ng parallelism ng mga beam ng light flux, coherence at monochrome, dahil naglalaman lamang ito ng mga photon na may parehong enerhiya at direksyon ng paggalaw.