انقلاب السكان. السكان المقلوبون تسمى المادة التي عدد سكانها مقلوبًا

مرور الإشعاع عبر المادة. عكس السكان من المستويات.فكر مرة أخرى في وسط ذي مستويين بمستويات طاقة و . إذا سقط إشعاع أحادي اللون بتردد على هذه الوسيلة

ثم عندما ينتشر على مسافة dxسوف يرتبط التغير في كثافة الطاقة الطيفية بكل من امتصاص الرنين والانبعاث المستحث (المحفز) لذرات النظام. بسبب الانبعاث المحفز، كثافة الطاقة الطيفية الزيادات في الشعاع، ويجب أن تكون هذه الزيادة في الطاقة متناسبة مع:

.

هنا هو معامل التناسب الأبعاد.

وبالمثل، بسبب عمليات امتصاص الفوتون، تنخفض كثافة الطاقة الطيفية في الشعاع:

.

قابلة للطي و , نجد التغيير الكامل كثافة الطاقة:

النظر في تساوي معاملات أينشتاين وإدخال معامل الامتصاص أ، نكتب هذه المعادلة على الصورة

حل هذه المعادلة التفاضلية له الشكل

.

تعطي هذه الصيغة كثافة الطاقة الطيفية شفي شعاع من الفوتونات أثناء مرورها عبر طبقة سميكة من المادة س، حيث يتوافق مع هذه النقطة س = 0 .

في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري، وفقا لتوزيع بولتزمان، , وبالتالي فإن معامل الامتصاص a موجب () :

وبالتالي، فإن كثافة الطاقة الإشعاعية، كما يتبين من (6.18)، تتناقص مع مرورها عبر المادة، أي أنه يتم امتصاص الضوء. ومع ذلك، إذا قمت بإنشاء نظام فيه , عندها يصبح معامل الامتصاص سالباً ولن يكون هناك توهين بل زيادة الشدة سفيتا. حالة البيئة التي يطلق عليها الدولة مع عدد السكان معكوس من المستويات, ومن ثم يتم استدعاء البيئة نفسها وسيلة نشطة. يتعارض التعداد العكسي للمستويات مع توزيع توازن بولتزمان ويمكن إنشاؤه بشكل مصطنع إذا تم إخراج النظام من حالة التوازن الديناميكي الحراري.

وهذا يخلق الإمكانية الأساسية لتضخيم وتوليد الإشعاع البصري المتماسك ويستخدم عمليًا في تطوير مصادر هذا الإشعاع - الليزر.

مبدأ تشغيل الليزر.أصبح إنشاء الليزر ممكنًا بعد العثور على طرق لعكس مجموعة المستويات في بعض المواد (الوسائط النشطة). تم إنشاء أول مولد عملي في المنطقة المرئية من الطيف في (الولايات المتحدة الأمريكية بواسطة مايمان (1960)) بناءً على الياقوت. روبي عبارة عن شبكة بلورية تحتوي على جزء صغير ( 0,03 % – 0,05 % ) خليط من أيونات الكروم (). في التين. يوضح الشكل 6.1 رسمًا تخطيطيًا لمستويات الطاقة للكروم ( بيئة ثلاثية المستويات). مستوى واسع يستخدم لإثارة أيونات الكروم بالضوء الصادر من مصباح تفريغ غازي قوي ذو نطاق ترددي واسع في المنطقة الخضراء المزرقة من الضوء المرئي - مصابيح المضخة. يتم توضيح إثارة أيونات الكروم بسبب ضخ الطاقة من مصدر خارجي بواسطة سهم .

أرز. 6.1. رسم تخطيطي لبيئة نشطة ثلاثية المستويات (روبي)

الإلكترونات من مستوى قصير العمر تنطلق بسرعة ( ج) الانتقال غير الإشعاعي إلى المستوى (كما هو موضح بالسهم الأزرق) . والطاقة المنطلقة في هذه الحالة لا تنبعث على شكل فوتونات، بل تنتقل إلى بلورة الياقوت. في هذه الحالة، تسخن الياقوتة، لذلك يوفر تصميم الليزر تبريدها.

عمر عنق الزجاجة طويل الأمد يرقى إلى ج، أي 5 مرات أكبر من مستوى النطاق العريض . مع وجود طاقة كافية للمضخة، فإن عدد الإلكترونات عند المستوى (يسمى شبه مستقر) يصبح أكثر من المستوى , أي أنه يتم إنشاء مجتمع معكوس بين مستويات "العمل" و .

الفوتون المنبعث أثناء الانتقال التلقائي بين هذه المستويات (موضح بسهم متقطع) يؤدي إلى انبعاث فوتونات إضافية (محفزة) - (يظهر الانتقال بواسطة سهم)، والذي بدوره يسبب الناجم عن انبعاث سلسلة كاملة من الفوتونات ذات الطول الموجي.

مثال 1.دعونا نحدد العدد النسبي لمستويات العمل في بلورة الياقوت عند درجة حرارة الغرفة في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري.

وبالاعتماد على الطول الموجي المنبعث من ليزر الياقوت نجد فرق الطاقة:

.

في درجة حرارة الغرفة تي = 300 كلدينا:

ويتبع الآن توزيع بولتزمان

.

إن تنفيذ وسيط نشط مع مستويات سكانية مقلوبة هو نصف المعركة فقط. لكي يعمل الليزر، من الضروري أيضًا تهيئة الظروف لتوليد الضوء، أي الاستخدام ردود الفعل الإيجابية. لا يمكن للوسط النشط نفسه إلا تضخيم الإشعاع المرسل. لتنفيذ وضع الليزر، من الضروري تضخيم الإشعاع المحفز بطريقة تعوض جميع الخسائر في النظام. للقيام بذلك، يتم وضع المادة الفعالة مرنان بصري, تتكون عادة من مرآتين متوازيتين، إحداهما شفافة وتعمل على إخراج الإشعاع من المرنان. من الناحية الهيكلية، استخدم ليزر الياقوت الأول بلورات أسطوانية ذات طول 40 ملموالقطر 5 ملم. تم صقل الأطراف بالتوازي مع بعضها البعض وكانت بمثابة مرايا رنانة. كان أحد الطرفين مطليًا بالفضة بحيث كان معامل الانعكاس قريبًا من الوحدة، وكان الطرف الآخر نصف شفاف، أي أن معامل الانعكاس أقل من الوحدة، وكان يستخدم لإخراج الإشعاع من المرنان. كان مصدر الإثارة عبارة عن مصباح زينون نابض قوي يلتف بشكل حلزوني حول الياقوت. يظهر جهاز ليزر روبي بشكل تخطيطي في الشكل. 6.2.

أرز. 6.2. جهاز ليزر روبي: 1- قضيب روبي 2- مصباح تفريغ الغاز النبضي؛ 3- مرآة شفافة 4- مرآة؛ 5- الانبعاث المستحث

مع وجود طاقة كافية لمصباح المضخة، يتم نقل الأغلبية (حوالي النصف) من أيونات الكروم إلى حالة مثارة. بعد تحقيق الانعكاس السكاني لمستويات التشغيل بالطاقة و , الفوتونات المنبعثة تلقائيًا الأولى المقابلة للانتقال بين هذه المستويات ليس لها اتجاه مفضل للانتشار وتسبب انبعاثًا محفزًا، والذي ينتشر أيضًا في جميع الاتجاهات في بلورة الياقوت. تذكر أن الفوتونات الناتجة عن الانبعاث المحفز تطير في نفس اتجاه الفوتونات الساقطة. الفوتونات، التي تشكل اتجاهات حركتها زوايا صغيرة مع محور القضيب البلوري، تتعرض لانعكاسات متعددة من أطرافها. تنتشر الفوتونات في اتجاهات أخرى وتخرج من بلورة الياقوت عبر سطحها الجانبي ولا تشارك في تكوين الإشعاع الصادر. هذه هي الطريقة التي يتم إنشاؤها في الرنان كعكة ضيقة يؤدي مرور الضوء والمرور المتكرر للفوتونات عبر الوسط النشط إلى انبعاث المزيد والمزيد من الفوتونات، مما يزيد من شدة الشعاع الناتج.

يظهر في الشكل توليد الإشعاع الضوئي بواسطة ليزر روبي. 6.3.

أرز. 6.3. توليد الإشعاع من ليزر روبي

وبالتالي، يؤدي المرنان البصري وظيفتين: أولاً، يخلق ردود فعل إيجابية، وثانيًا، يشكل شعاعًا موجهًا ضيقًا من الإشعاع ببنية مكانية معينة.

في المخطط ثلاثي المستويات، لإنشاء انعكاس سكاني بين مستويات العمل، من الضروري إثارة جزء كبير بما فيه الكفاية من الذرات، الأمر الذي يتطلب إنفاقًا كبيرًا للطاقة. أكثر فعالية هو مخطط من أربعة مستويات, والذي يستخدم في ليزر الحالة الصلبة، على سبيل المثال استخدام أيونات النيوديميوم. في الليزر الغازي الأكثر شيوعًا على الذرات المحايدة - هيليوم- ليزر النيون - كما يتم استيفاء شروط التوليد وفق مخطط من أربعة مستويات. الوسيط النشط في مثل هذا الليزر هو خليط من الغازات الخاملة - الهيليوم والنيون مع طاقة الحالة الأرضية (والذي نعتبره مستوى الصفر). يتم الضخ في عملية تفريغ الغاز الكهربائي، حيث تدخل الذرات في حالة من الإثارة مع الطاقة . مستوى في ذرات النيون (الشكل 6.4) قريب من المستوى في الهيليوم، وعندما تصطدم ذرات الهيليوم بذرات النيون، يمكن نقل طاقة الإثارة بشكل فعال إلى الأخير دون إشعاع.

أرز. 6.4. مخطط المستوى لا- ني-الليزر

وهكذا المستوى تبين أن النيون أكثر كثافة سكانية من المستوى الأدنى . ويصاحب الانتقال بين مستويات التشغيل هذه إشعاع ذو طول موجي 632.8 نانومتر، وهو أساسي في الصناعة ني-ني-الليزر. على مستوى ذرات النيون لا تبقى طويلا، بل تعود سريعا إلى حالتها الأرضية. لاحظ أن المستوى النيون مأهول بالسكان بشكل ضئيل للغاية، وبالتالي يتم إنشاء تعداد سكاني عكسي بين و من الضروري إثارة عدد صغير من ذرات الهيليوم. وهذا يتطلب طاقة أقل بكثير لكل من ضخ وتبريد المنشأة، وهو أمر نموذجي لنظام توليد من أربعة مستويات. بالنسبة لليزر الليزري، يمكن استخدام مستويات أخرى من النيون (غير موضحة في الشكل 6.4)، لإنتاج إشعاع في كلا النطاقين المرئي والأشعة تحت الحمراء، مع استخدام الهيليوم فقط في عملية الضخ.

مثال 2.دعونا نجد التوازن النسبي للمستوى في النيون في درجة حرارة الغرفة.

تختلف هذه المشكلة عن سابقتها فقط في القيم العددية. من أجل التنوع، دعونا نجري الحسابات بالإلكترون فولت. دعونا أولاً نعبر عن ثابت بولتزمان بهذه الوحدات:

لذلك في درجة حرارة الغرفة

.

الآن يمكننا أن نجد بسهولة

من الناحية العملية، مثل هذا العدد الصغير لا يختلف عن الصفر، لذلك، حتى مع الضخ الضعيف، يتم إنشاء مجتمع عكسي بين المستويات و .

يتميز إشعاع الليزر بميزات مميزة:

التماسك الزماني والمكاني العالي (الإشعاع أحادي اللون وتباعد الشعاع المنخفض) ؛

كثافة طيفية عالية.

تعتمد خصائص الإشعاع على نوع الليزر وطريقة التشغيل، ومع ذلك، يمكن ملاحظة بعض المعلمات القريبة من القيم الحدية:

لا غنى عن نبضات الليزر القصيرة (البيكو ثانية) عند دراسة العمليات السريعة. يمكن تطوير طاقة ذروة عالية للغاية (تصل إلى عدة جيجاوات) في نبضة، وهو ما يعادل قوة العديد من وحدات محطات الطاقة النووية بقدرة مليون كيلووات لكل منها. في هذه الحالة، يمكن تركيز الإشعاع في مخروط ضيق. مثل هذه الحزم تجعل من الممكن، على سبيل المثال، "لحام" الشبكية بقاع العين.

أنواع الليزر.كجزء من دورة الفيزياء العامة، لا يمكننا الخوض في التفاصيل حول الميزات المحددة والتطبيقات التقنية لمختلف أنواع الليزر بسبب تنوعها الشديد. سنقتصر على مجرد مراجعة موجزة إلى حد ما لأنواع الليزر التي تختلف في خصائص الوسط النشط وطرق الضخ.

ليزر الحالة الصلبة.عادة ما تكون نابضة، وكان أول ليزر من هذا النوع هو ليزر الياقوت الموصوف أعلاه. تحظى أشعة الليزر الزجاجية التي تحتوي على النيوديميوم كمادة عاملة بشعبية كبيرة. أنها تولد الضوء بطول موجي من أجل 1.06 ميكرومتر، كبيرة الحجم وتتمتع بقدرة قصوى تصل إلى TW. يمكن استخدامها للتجارب على الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة. ومن الأمثلة على ذلك ليزر شيفا الضخم الموجود في مختبر ليفرمور بالولايات المتحدة الأمريكية.

الليزر الشائع جدًا هو عقيق ألومنيوم الإيتريوم مع النيوديميوم (Nd:YAG)، ينبعث في نطاق الأشعة تحت الحمراء عند الطول الموجي ميكرومتر. يمكن أن تعمل في وضع التوليد المستمر وفي الوضع النبضي، بمعدل تكرار نبض يصل إلى عدة كيلو هرتز (للمقارنة: يحتوي ليزر الياقوت على نبضة واحدة كل بضع دقائق). لديهم مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال التكنولوجيا الإلكترونية (تكنولوجيا الليزر)، والمدى البصري، والطب، وما إلى ذلك.

الليزر الغازي.هذه عادة ما تكون أشعة ليزر مستمرة. وتتميز بالبنية المكانية الصحيحة للحزمة. مثال: ليزر الهليوم-نيون يولد الضوء بأطوال موجية 0,63 , 1,15 و 3.39 ميكرومترولها قوة ترتيب ميغاواط. تستخدم على نطاق واسع في التكنولوجيا - الليزر بقوة تصل إلى كيلوواط وأطوال موجية 9,6 و 10.6 ميكرومتر. إحدى طرق ضخ ليزر الغاز هي من خلال التفريغ الكهربائي. مجموعة متنوعة من أشعة الليزر ذات الوسط الغازي النشط هي الليزر الكيميائي والليزر الإكسيمري.

الليزر الكيميائي.يتم إنشاء الانقلاب السكاني عن طريق تفاعل كيميائي بين غازين، مثل الهيدروجين (الديوتيريوم) والفلور. بناء على التفاعلات الطاردة للحرارة

.

الجزيئات التردد العاليلقد ولدوا بالفعل مع إثارة التذبذبات، الأمر الذي يؤدي على الفور إلى إنشاء مجتمع معكوس. يتم تمرير خليط العمل الناتج بسرعة تفوق سرعة الصوت من خلال مرنان بصري، حيث يتم إطلاق جزء من الطاقة المتراكمة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي. باستخدام نظام المرايا الرنانة، يتم تركيز هذا الإشعاع في شعاع ضيق. تنبعث مثل هذه الليزرات من طاقة عالية (المزيد 2 كيلوجول)، مدة النبضة تقريبًا. 30 نانو ثانية، قوة تصل إلى دبليو. تصل الكفاءة (الكيميائية). 10 % ، بينما عادة بالنسبة للأنواع الأخرى من الليزر - كسور من النسبة المئوية. الطول الموجي المتولد - 2.8 ميكرومتر(3.8 ميكرونلليزر على مدافع).

من بين الأنواع العديدة من الليزر الكيميائي، يعتبر ليزر فلوريد الهيدروجين (الديوتيريوم) هو الأكثر واعدة. المشاكل: إشعاع ليزر فلوريد الهيدروجين ذو الطول الموجي المحدد ينتشر بشكل نشط بواسطة جزيئات الماء الموجودة دائمًا في الغلاف الجوي. هذا يقلل بشكل كبير من سطوع الإشعاع. يعمل ليزر فلوريد الديوتيريوم بطول موجي يكون الغلاف الجوي فيه شفافًا تقريبًا. ومع ذلك، فإن إطلاق الطاقة النوعية لمثل هذه الليزرات أقل مرة ونصف من تلك التي تعتمد عليها أجهزة الليزر التردد العالي. وهذا يعني أنه عند استخدامها في الفضاء، سيتعين إزالة كميات أكبر بكثير من الوقود الكيميائي.

ليزر الإكسيمر.جزيئات الإكسيمر هي جزيئات ثنائية الذرة (على سبيل المثال، ) والتي يمكن أن تكون فقط في حالة مثارة - وحالتها غير المثارة تصبح غير مستقرة. السمة الرئيسية لليزر الإكسيمر مرتبطة بما يلي: الحالة الأساسية لجزيئات الإكسيمر غير ممتلئة، أي أن مستوى الليزر العامل المنخفض يكون دائمًا فارغًا. يتم الضخ بواسطة شعاع إلكتروني نابض، والذي ينقل جزءًا كبيرًا من الذرات إلى حالة مثارة، حيث يتم دمجها في جزيئات الإكسيمر.

وبما أن الانتقال بين مستويات التشغيل هو النطاق العريض، فمن الممكن ضبط تردد الجيل. لا ينتج الليزر إشعاعًا قابلاً للضبط في منطقة الأشعة فوق البنفسجية ( نانومتر) ولها كفاءة عالية ( 20 % ) تحويل الطاقة. حاليا، ليزر excimer ذو الطول الموجي 193 نانومتريستخدم في جراحة العيون للتبخر السطحي (الاستئصال) للقرنية.

الليزر السائل.تكون المادة الفعالة في الحالة السائلة متجانسة وتسمح بتدويرها للتبريد، مما يخلق مزايا مقارنة بأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة. يتيح لك ذلك الحصول على طاقات وقوى عالية في الوضعين النبضي والمستمر. استخدمت أجهزة الليزر السائلة الأولى (1964-1965) مركبات أرضية نادرة. تم استبدالها بالليزر باستخدام محاليل الأصباغ العضوية.

عادةً ما تستخدم أجهزة الليزر هذه الضخ البصري للإشعاع من أجهزة ليزر أخرى في النطاق المرئي أو فوق البنفسجي. من الخصائص المثيرة للاهتمام لليزر الصبغي إمكانية ضبط تردد التوليد. ومن خلال اختيار الصبغة، يمكن الحصول على الليزر بأي طول موجي من نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة. ويرجع ذلك إلى أطياف الاهتزازات الدورانية المستمرة الواسعة للجزيئات السائلة.

ليزر أشباه الموصلات.يتم تصنيف ليزر الحالة الصلبة المعتمد على مواد أشباه الموصلات إلى فئة منفصلة. يتم الضخ عن طريق القصف بشعاع إلكتروني، وتشعيع ليزر قوي، ولكن في أغلب الأحيان بالطرق الإلكترونية. تستخدم ليزرات أشباه الموصلات التحولات ليس بين مستويات الطاقة المنفصلة للذرات أو الجزيئات الفردية، ولكن بين نطاقات الطاقة المسموح بها، أي مجموعات من المستويات المتقاربة (تتم مناقشة نطاقات الطاقة في البلورات بمزيد من التفصيل في الأقسام اللاحقة). إن استخدام مواد أشباه الموصلات المختلفة يجعل من الممكن الحصول على إشعاع بأطوال موجية منها 0,7 قبل 1.6 ميكرومتر. أبعاد العنصر النشط صغيرة للغاية: يمكن أن يكون طول الرنان أقل من 1 ملم.

الطاقة النموذجية في حدود عدة كيلووات، ومدة النبضة تقريبًا 3 نانو ثانية، تصل الكفاءة 50 % ، لديها مجموعة واسعة من التطبيقات (الألياف الضوئية والاتصالات). يمكن استخدامها لعرض الصور التلفزيونية على شاشة كبيرة.

ليزر الإلكترون الحر.يتم تمرير شعاع من الإلكترونات عالية الطاقة عبر "مشط مغناطيسي" - وهو مجال مغناطيسي دوري مكاني يجبر الإلكترونات على التذبذب عند تردد معين. الجهاز المقابل - المموج - عبارة عن سلسلة من المغناطيسات الموجودة بين أقسام المسرع، بحيث تتحرك الإلكترونات النسبية على طول محور المموج وتتأرجح بشكل عرضي إليه، وتنبعث منها موجة كهرومغناطيسية أولية ("عفوية"). في مرنان مفتوح، حيث تدخل الإلكترونات بعد ذلك، يتم تضخيم الموجة الكهرومغناطيسية التلقائية، مما يؤدي إلى إنشاء إشعاع ليزر موجه ومتماسك. السمة الرئيسية لليزر الإلكترون الحر هي القدرة على ضبط تردد التوليد بسلاسة (من النطاق المرئي إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء) عن طريق تغيير الطاقة الحركية للإلكترونات. كفاءة مثل هذا الليزر 1 % بمتوسط ​​قوة يصل إلى 4 واط. باستخدام أجهزة إعادة الإلكترونات إلى الرنان، يمكن زيادة الكفاءة إلى 20–40 % .

ليزر الأشعة السينيةمع الضخ النوويهذا هو الليزر الأكثر غرابة. من الناحية التخطيطية، فهو رأس حربي نووي، يتم تركيب ما يصل إلى 50 قضيبًا معدنيًا على سطحه، موجهة في اتجاهات مختلفة. تتمتع القضبان بدرجتين من الحرية، ويمكن توجيهها، مثل براميل البندقية، إلى أي نقطة في الفضاء. يوجد على طول محور كل قضيب سلك رفيع مصنوع من مادة عالية الكثافة (حسب كثافة الذهب) - الوسط النشط. مصدر طاقة ضخ الليزر هو انفجار نووي. أثناء الانفجار، تنتقل المادة الفعالة إلى حالة البلازما. عند تبريدها على الفور، تبعث البلازما إشعاعًا متماسكًا في نطاق الأشعة السينية الناعمة. بسبب تركيز الطاقة العالي، يؤدي ضرب الإشعاع للهدف إلى تبخر المادة المتفجرة، وتكوين موجة صدمة وتدمير الهدف.

وبالتالي، فإن مبدأ التشغيل وتصميم ليزر الأشعة السينية يجعل نطاق تطبيقه واضحًا. لا يحتوي الليزر الموصوف على مرايا تجويفية، والتي لا يمكن استخدامها في نطاق الأشعة السينية.

بعض أنواع الليزر موضحة في الشكل أدناه.

بعض أنواع الليزر: 1- ليزر مختبري؛ 2- تشغيل الليزر المستمر؛
3 - الليزر التكنولوجي لثقب الثقوب. 4- ليزر تكنولوجي قوي

دعونا ننظر في نظام من مستويين مع الكثافة الذرية في الأسفل ن 1 وأعلى ن 2 مستويات للطاقة.

احتمال الانتقال القسري من المستوى الأول إلى الثاني يساوي:

أين σ 12- احتمال التحول تحت تأثير شدة الإشعاع ج.

ثم سيكون عدد التحولات المستحثة لكل وحدة زمنية

.

يمكن للنظام أن ينتقل من المستوى الثاني بطريقتين: قسريًا وعفويًا. تعد التحولات التلقائية ضرورية حتى يتمكن النظام من الوصول إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري بعد انتهاء الإثارة الخارجية. يمكن اعتبار التحولات التلقائية بمثابة تحولات ناجمة عن الإشعاع الحراري للوسط. عدد التحولات التلقائية لكل وحدة زمنية يساوي حيث أ 2- احتمالية التحول العفوي. عدد التحولات القسرية من المستوى الثاني هو

.

نسبة المقاطع العرضية للامتصاص والانبعاث الفعالة تساوي

أين ز 1 ، ز 2 ـ تعدد مستويات الانحطاط.

يتم تحديد معادلة التوازن من خلال مجموع سكان المستويات، والذي يجب أن يكون مساوياً للعدد الإجمالي ن 0 الجسيمات في النظام ن 1 + ن 2 = ن 0 .

يتم وصف التغير في السكان مع مرور الوقت بالمعادلات التالية.

حل هذه المعادلات هو كما يلي.

.

حل هذه المعادلات في الحالة الثابتة، عندما تكون المشتقات الزمنية للمجتمعات تساوي الصفر: سيكون:

.

سيتم توفير التعداد العكسي لنظام ذي مستويين، أو

.

ويترتب على ذلك أنه فقط عندما يكون تعدد انحطاط المستوى الأعلى أكبر من تعدد انحطاط المستوى الرئيسي، مع الأخذ في الاعتبار الخسائر السكانية بسبب التحولات التلقائية، فإن الدولة ذات السكان المقلوبين ممكنة. بالنسبة للأنظمة الذرية، هذا غير مرجح. ومع ذلك، فمن الممكن لأشباه الموصلات، حيث يتم تحديد تعدد انحطاط حالات نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ من خلال كثافة الحالات.

عكس السكان من أنظمة ثلاثة مستويات

إذا نظرنا إلى نظام من ثلاثة مستويات من الطاقات ه 1 , ه 2 ، إي 3، و ه 1 >ه 2 > ه 3 والسكان ن 1 , ن 2 ، ن 3، فإن المعادلات للسكان ستكون.

.

وحل هذه المعادلات بالنسبة إلى السكان المعكوسين دون مراعاة الفرق في تعدد انحطاط المستويات في الحالة الثابتة سيكون:

في حالة ثابتة

.

يتم استيفاء شرط وجود السكان العكسي Δ>0 إذا

.

يمكن اعتبار النظام المكون من ثلاثة مستويات في أشباه الموصلات نظامًا حيث المستوى الأدنى هو نطاق التكافؤ، والمستويان العلويان هما حالتان من نطاق التوصيل. عادة، داخل نطاق التوصيل، يكون احتمال التحولات غير الإشعاعية أكبر بكثير من احتمال التحولات بين المنطقة، وبالتالي A 32 » A 31، وبالتالي فإن حالة انعكاس السكان ستكون:

بسبب ال

,

حيث ρ 13 هو متوسط ​​كثافة طاقة المضخة في نطاق امتصاص المادة الفعالة، ويمكن استيفاء هذا الشرط.

الموصلية الكهربائية في المجالات الكهربائية القوية

قانون أوم غير الخطي

في المجالات الكهربائية القوية تزداد القوة المؤثرة على الجسيم مما يؤدي إلى زيادة سرعة الجسيم. وطالما أن سرعة الجسيم أقل من سرعة الحركة الحرارية، فإن تأثير المجال الكهربائي على التوصيل الكهربائي يكون غير مهم ويتم استيفاء قانون أوم الخطي. مع زيادة شدة المجال الكهربائي، تزداد سرعة انجراف الجسيم، ويصبح اعتماد التوصيل الكهربائي على شدة المجال الكهربائي خطيًا.

نظرًا لأن متوسط ​​المسار الحر أثناء الانتثار بواسطة اهتزازات الشبكة البلورية لا يعتمد على الطاقة، فمع زيادة شدة المجال الكهربائي وسرعة الانجراف، سينخفض ​​وقت الاسترخاء وستنخفض الحركة. القوة المؤثرة على جسيم موضوع في مجال كهربائي شدته هيساوي ها. تسبب هذه القوة التسارع وتغير السرعة الحرارية للجسيم ضد ت. تحت تأثير المجال الكهربائي، يتسارع الجسيم ويكتسب لكل وحدة زمنية طاقة تساوي عمل القوى ها:

(7.1) .

ومن ناحية أخرى، فإن الطاقة التي يفقدها الجسيم في تصادم واحد أو أثناء مساره الحر تمثل جزءًا صغيرًا (ξ) من إجمالي الطاقة تولكل وحدة زمنية. ولذلك يمكننا أن نكتب: .

وبمساواة هذا التعبير بالصيغة (7.1)، يمكننا الحصول على معادلة لشدة المجال الكهربائي وسرعة الجسيمات:

(7.2) ، أو . .

بالنسبة للتشتت بالتذبذبات، يكون متوسط ​​المسار الحر ثابتًا، وبالتالي فإن السرعة تعتمد على شدة المجال الكهربائي ستكون:

حيث ستعتمد الحركة على شدة المجال الكهربائي كما يلي:

مع زيادة شدة المجال الكهربائي، تقل الحركة.

قانون أوم غير الخطي في المجالات القوية سيكون له الشكل التالي: .

تأثير زينر

يتجلى تأثير زينر في انبعاث مجال الإلكترونات بسبب انتقال نفق المنطقة. عندما ينتقل الإلكترون من أحد مواقع الشبكة البلورية إلى موقع آخر، فمن الضروري التغلب على الحاجز المحتمل الذي يفصل بين الموقعين. يحدد هذا الحاجز المحتمل فجوة النطاق. يؤدي تطبيق مجال كهربائي إلى خفض حاجز الجهد في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال الكهربائي الخارجي ويزيد من احتمالية انتقال نفق الإلكترون من الحالة المرتبطة بالنواة إلى نطاق التوصيل. وبحكم طبيعته، يحدث هذا الانتقال مع إلكترونات نطاق التكافؤ وسيتم توجيه تدفق الإلكترونات من عقدة الشبكة البلورية إلى الحالة الحرة لنطاق التوصيل. ويسمى هذا التأثير أيضًا انهيار زينر أو انبعاث الإلكترون البارد. ويلاحظ في المجالات الكهربائية بقوة 10 · 4 - 10 · 5 فولت / سم.

تأثير صارخ

يؤدي تأثير ستارك إلى تحول في طاقة المستويات الذرية وتوسيع نطاق التكافؤ. وهذا مشابه لانخفاض فجوة النطاق وزيادة في تركيز التوازن للإلكترونات والثقوب.

في الولايات على مسافة ص 0 من نواة الذرة، فإن القوة المؤثرة على الإلكترون من المجال الكهربائي الخارجي يمكن أن توازن قوة الجذب إلى النواة:

في هذه الحالة، من الممكن إزالة الإلكترون من الذرة ونقله إلى حالة حرة. ومن الصيغة (7.6) فإن مسافة التأين تساوي:

يقلل هذا التأثير من الحاجز المحتمل أمام انتقال الإلكترون إلى الحالة الحرة بمقدار:

(7.7) .

يؤدي انخفاض الحاجز المحتمل إلى زيادة احتمالية الإثارة الحرارية بمقدار:

(7.8) .

ويلاحظ هذا التأثير في المجالات الكهربائية بقوة 10 5 – 10 6 فولت / سم .

تأثير غان

ويلاحظ هذا التأثير في أشباه الموصلات ذات الحدين الأدنى من الطاقة لنطاق التوصيل ذي الانحناءات المختلفة، ويجب أن تكون الكتلة الفعالة للحد الأدنى المحلي أكبر من الكتلة الفعالة للحالة الأرضية للحد الأدنى المطلق. عند مستويات الحقن القوية، يمكن للإلكترونات أن تملأ حالات الحد الأدنى الأرضي وتنتقل من الحد الأدنى الأرضي إلى الحد الأدنى المحلي الآخر. وبما أن كتلة الإلكترونات في الحد الأدنى المحلي كبيرة، فإن حركة الانجراف للإلكترونات المنقولة ستكون أقل، مما سيؤدي إلى انخفاض في التوصيل الكهربائي. سيؤدي هذا النقصان إلى انخفاض التيار وانخفاض الحقن في نطاق التوصيل، الأمر الذي سيؤدي إلى ترسب الإلكترونات في الحد الأدنى الرئيسي لنطاق التوصيل، واستعادة الحالة الأصلية وزيادة التيار. ونتيجة لذلك، تحدث تقلبات التيار عالية التردد.

وقد لوحظ هذا التأثير في GaAs ناكتب عند تغذيتها على عينة يبلغ طولها 0.025 مم. نبض الجهد 16 فولت ومدة 10 8 هرتز. كان تردد التذبذب 10 9 هرتز.

لوحظ تأثير هان في المجالات التي تكون فيها سرعة الانجراف مماثلة للسرعة الحرارية للإلكترونات.

الإكسيتونات في المواد الصلبة

طبيعة الإكسيتون

إذا تم إثارة البلورة بواسطة مجال كهرومغناطيسي، فإن الإلكترونات من نطاق التوصيل تنتقل إلى نطاق التكافؤ، وتشكل زوجًا من ثقب الإلكترون: إلكترون في نطاق التوصيل وثقب في نطاق التكافؤ. يظهر الثقب كشحنة موجبة، حيث أن عدم وجود شحنة سالبة للإلكترون في نطاق التكافؤ الإلكتروني المحايد يؤدي إلى ظهور شحنة موجبة. ولذلك يحدث تفاعل التجاذب بين الزوجين. وبما أن الطاقة الجاذبة سالبة، فإن الطاقة الانتقالية الناتجة ستكون أقل من طاقة فجوة النطاق بمقدار طاقة التجاذب بين الإلكترون والثقب في الزوج. ويمكن كتابة هذه الطاقة على النحو التالي:

أين - ه- شحنة الإلكترون، زي- شحنة الذرة التي مر منها الإلكترون إلى نطاق التوصيل، ص إيه- المسافة بين الإلكترون والفجوة، المعامل الإلكتروني الذي يحدد انخفاض التفاعل بين الإلكترون والفجوة مقارنة بتفاعلات الشحنات النقطية في الفراغ أو ثابت العزل الكهربائي من النوع المجهري.

إذا حدث انتقال الإلكترون في موقع محايد للشبكة البلورية، إذن ز=1 وشحنة الثقب هشحنة الإلكترون مع الإشارة المعاكسة. إذا كان تكافؤ موقع ما يختلف بواحد عن تكافؤ الذرات الرئيسية للشبكة البلورية، إذن ز=2.

يتم تحديد ثابت العزل الكهربائي من النوع المجهري بواسطة عاملين:

· التفاعل بين الإلكترون والفجوة يحدث في وسط بلوري. يؤدي هذا إلى استقطاب الشبكة البلورية وتضعف قوة التفاعل بين الإلكترون والثقب.

· لا يمكن تمثيل الإلكترون والثقب في البلورة كشحنات نقطية، بل كشحنات "ملطخة" كثافتها في الفضاء. وهذا يقلل من قوة التفاعل بين الإلكترون والثقب. ويمكن ملاحظة حالة مماثلة في الذرات. التفاعل بين الإلكترونات في الذرة أقل بـ 5-7 مرات من التفاعل بين الإلكترون والنواة، على الرغم من أن المسافات بينهما يمكن أن تكون قابلة للمقارنة. ويعود ذلك إلى أن الإلكترونات الموجودة في المدار لا تتركز عند نقطة واحدة، بل تتميز بكثافة توزيعية، مما يقلل من التفاعل بينها. ويمكن تمثيل نواة الذرة بدرجة جيدة من الدقة كشحنة نقطية، فيكون تفاعل الإلكترونات مع النواة أكبر من التفاعل بين الإلكترونات، مما يضمن استقرار وجود الذرات.

يختلف تأثير هذين العاملين بالنسبة للإكسيتونات ذات الأنواع المختلفة: إكسيتونات Frenkel (نصف قطر صغير) وإكسيتونات Wannier (نصف قطر كبير).

طاقة الإكسيتون ونصف القطر

تعتمد طاقة ربط الإكسيتون على المسافة بين الإلكترون والثقب. يتحرك الإلكترون والفجوة بالنسبة إلى مركز الكتلة في مدار نصف قطره الإكسيتون ص إيه. من أجل الوجود المستقر للإكسيتون، من الضروري أن تتشكل موجة واقفة بعدد الموجات في مدار الإكسيتون ن..أين يمكن الحصول على النسبة:

أين ر- مقدار حركة الإلكترون والفجوة بالنسبة لبعضهما البعض. يمكن التعبير عن مقدار الحركة من خلال الطاقة الحركية T للحركة النسبية للإلكترون والثقب: حيث m هي الكتلة المخفضة للإكسيتون.

يجب أن تتكون كتلة الإكسيتون المخفضة من الكتل الفعالة للإلكترون والفجوة، كقيمة متوسطة توافقية. إذا كانت كتلة الثقب كبيرة، فيجب تحديد الطاقة الحركية للإكسيتون أو الطاقة الحركية لحركة الإلكترون بالنسبة إلى الثقب بواسطة كتلة الإلكترون. لهذا

إذا كانت الكتل الفعالة للإلكترونات والثقوب متساوية، فإن كتلة الإكسيتون المخفضة تساوي ½؛ وإذا كان هناك إكسيتون موضعي، إذن م ح>>أناوكتلة الإكسيتون المخفضة تساوي الوحدة.

من أجل إكسيتون مجاني ز=1، m¢=1/2، طاقة الإكسيتون ونصف القطر متساويان

(8.7) .

لإكسيتون موضعي ز=2، m¢=1 طاقة الإكسيتون ونصف القطر متساويان

(8.8) .

وهكذا يتبين أن طاقة مستويات الإكسيتون الحرة أقل بـ 8 مرات من طاقة الإكسيتون الموضعي، ونصف القطر أكبر بـ 4 مرات.

من أجل دراسة تضخيم الضوء الساقط، من الضروري بطريقة أو بأخرى عكس عدد المستويات. أولئك. تأكد من أن قيمة الطاقة الأكبر تتوافق مع عدد أكبر من الذرات. في هذه الحالة، يقولون أن مجموعة من الذرات لديها مجموعة عكسية (عكسية) من المستويات.

نسبة عدد الذرات عند المستويات وتساوي:

في حالة الانقلاب السكاني. ويترتب على ذلك أن الأس يجب أن يكون أكبر من الصفر - . لكن . لذلك، لكي يكون الأس أكبر من الصفر، يجب أن تكون درجة الحرارة سالبة - .

ولذلك، فإن الحالة التي يكون فيها عدد السكان مقلوبًا من المستويات تسمى أحيانًا حالة ذات درجة حرارة سلبية. لكن هذا التعبير مشروط، لأن مفهوم درجة الحرارة نفسه ينطبق على حالات التوازن، والدولة ذات التعداد السكاني المقلوب هي حالة غير متوازنة.

في حالة الانقلاب السكاني، سيتم تضخيم الضوء الذي يمر عبر المادة. من الناحية الرسمية، يتوافق هذا مع حقيقة أنه في قانون بوغيه سيكون معامل الامتصاص سالبًا. أولئك. يمكن اعتبار مجموعة من الذرات ذات المستويات المقلوبة بمثابة وسط ذو معامل امتصاص سلبي.

لذا، لتضخيم الضوء بواسطة مادة ما، نحتاج إلى إنشاء مجموعة عكسية لمستويات هذه المادة. دعونا نرى كيف يتم ذلك باستخدام مثال ليزر روبي.

الياقوت هو أكسيد الألومنيوم الذي يتم فيه استبدال بعض ذرات الألومنيوم بذرات الكروم. يتم تشعيع هذا الياقوت بمجموعة واسعة من ترددات الموجات الكهرومغناطيسية. في هذه الحالة، تدخل أيونات الكروم في حالة مثارة (انظر الشكل 4). لا تلعب أيونات الألومنيوم دورًا مهمًا في هذا الأمر.

تمثل حالة الطاقة نطاقًا كاملاً بسبب تفاعل الأيونات مع الشبكة البلورية. من المستوى، هناك مساران ممكنان لأيونات الكروم.

1. العودة إلى الحالة الأصلية للطاقة مع انبعاث الفوتون.

2. الانتقال إلى حالة شبه مستقرة مع الطاقة من خلال التفاعل الحراري مع أيونات الشبكة البلورية المصنوعة من الألومنيوم.

العمر على المستوى كالعادة يساوي العمر في الحالة المثارة - . تتم الإشارة إلى الانتقال التلقائي إلى المستوى بواسطة سهم، ويتم الإشارة إلى الانتقال إلى مستوى شبه مستقر بواسطة سهم.

تظهر الحسابات والتجربة أن احتمالية الانتقال أكبر بكثير من احتمالية الانتقال. بالإضافة إلى ذلك، فإن الانتقال من حالة شبه مستقرة مع الطاقة إلى الحالة الأرضية محظور بموجب قواعد الاختيار (قواعد الاختيار ليست صارمة تمامًا، فهي تشير فقط إلى احتمال أكبر أو أقل للانتقال).

ولذلك فإن العمر عند المستوى شبه المستقر أكبر بمئة ألف مرة من العمر عند المستوى.

وبالتالي، مع وجود عدد كبير بما فيه الكفاية من ذرات الكروم، يمكن أن يحدث مجتمع عكسي للمستوى - عدد الذرات على المستوى سوف يتجاوز عدد الذرات على المستوى، أي. قد نحصل على ما نريد.

يتم الإشارة إلى الانتقال التلقائي من المستوى إلى المستوى الرئيسي بواسطة سهم، ويمكن للفوتون الناشئ أثناء هذا الانتقال أن يسبب انبعاثًا محفزًا للفوتون التالي، وهو ما يشار إليه بالسهم. وهذا واحد آخر، الخ. أولئك. يتم تشكيل سلسلة من الفوتونات.

دعونا الآن نفكر في الهيكل الفني لليزر الياقوتي.

وهو عبارة عن قضيب يبلغ قطره الترتيب وطوله . نهايات القضيب متوازية بشكل صارم مع بعضها البعض ومصقولة بعناية. نهاية واحدة هي مرآة مثالية، والثانية هي مرآة شفافة تنقل الطاقة الساقطة.

يتم تثبيت عدة دورات لمصباح الضخ - مصباح زينون يعمل في الوضع النبضي - حول قضيب الياقوت.

وهكذا تكونت الفوتونات المحفزة في جسم القضيب. تلك الفوتونات، التي يشكل اتجاه انتشارها زوايا صغيرة مع محور القضيب، سوف تمر عبر القضيب بشكل متكرر وتسبب انبعاثًا محفزًا لذرات الكروم شبه المستقرة. سيكون للفوتونات الثانوية نفس اتجاه الفوتونات الأولية، أي. على طول محور القضيب. لن تقوم الفوتونات من الاتجاه الآخر بتطوير سلسلة كبيرة وستترك اللعبة. فإذا كانت شدة الشعاع كافية، خرج جزء منه.

يعمل ليزر روبي في الوضع النبضي بمعدل تكرار يصل إلى عدة نبضات في الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة بداخلها، لذلك يجب تبريدها بشكل مكثف.

دعونا الآن نفكر في تشغيل ليزر الغاز، وخاصة ليزر الهليوم والنيون.

ويتكون من أنبوب كوارتز يحتوي على خليط من غازات الهيليوم والنيون. يتعرض الهيليوم للضغط، والنيون تحت الضغط، بحوالي 10 مرات أكثر من ذرات الهيليوم من ذرات النيون. الذرات الرئيسية المنبعثة هنا هي ذرات النيون، وتلعب ذرات الهيليوم دورًا داعمًا في تكوين المجموعة العكسية لذرات النيون.

يتم ضخ الطاقة في هذا الليزر باستخدام طاقة تفريغ التوهج. في هذه الحالة، يتم إثارة ذرات الهيليوم وتدخل في حالة مثارة (انظر الشكل 5). هذه الحالة لذرات الهيليوم غير مستقرة، أي. الانتقال البصري العكسي محظور بموجب قواعد الاختيار. لذلك، يمكن لذرات الهيليوم أن تدخل في حالة غير مثيرة، حيث تنقل الطاقة إلى ذرات النيون أثناء الاصطدامات. ونتيجة لذلك، تدخل ذرات النيون في حالة مثارة، وهي قريبة من حالة الهيليوم. يتم إثارة ذرات النيون بواسطة طاقة تفريغ التوهج والتصادمات مع ذرات الهيليوم.

بالإضافة إلى ذلك، يتم تفريغ المستوى عن طريق اختيار أبعاد الأنبوب بحيث تقوم ذرات النيون، الموجودة في المستوى، بنقل الطاقة إليها عند اصطدامها بالجدران، والانتقال إلى المستوى الرئيسي.

ونتيجة لهذه العمليات، يتم عكس مستوى السكان للنيون. من الممكن الانتقال من مستوى إلى آخر.

العنصر الهيكلي الرئيسي لهذا الليزر هو أنبوب تفريغ غاز الكوارتز الذي يبلغ قطره حوالي . أنه يحتوي على أقطاب كهربائية لخلق التفريغ الكهربائي. وفي نهايات الأنبوب توجد مرايا متوازية المستوى، إحداها نصف شفافة، وهي الأمامية. تنشأ شروط التضخيم فقط لتلك الفوتونات المنبعثة بالتوازي مع محور الليزر.

تردد التشغيل لليزر هو الانتقال. تسمح قواعد الاختيار بحوالي ثلاثين عملية انتقالية. لتسليط الضوء على تردد واحد، يتم تصنيع المرايا متعددة الطبقات، والتي تم ضبطها لتعكس موجة محددة واحدة فقط. أشعة الليزر التي ينبعث منها موجات بطول موجة . لكن التحول الأكثر كثافة هو مع الطول الموجي، أي. في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف.

تعمل أشعة الليزر الغازية في الوضع المستمر ولا تتطلب تبريدًا مكثفًا.

السمات المميزة لأشعة الليزر هي:

1. التماسك الزماني والمكاني.

2. أحادية اللون الصارمة.

3. قوة عظمى

4. ضيق شعاع الليزر.

المحاضرة 15 (ساعتان)

محاضرة 1 2 .

طبيعة الضوء. الانبعاث التلقائي والمحفز. انقلاب مستويات الطاقة لدى السكان. مبدأ تشغيل الليزر.

1. يمكن أن تكون الذرات في حالات ثابتة مع قيم طاقة منفصلة لفترة طويلة بشكل تعسفي دون انبعاث الطاقة.

1.1. ويصاحب الانتقال من حالة ثابتة إلى حالة ثابتة أخرى امتصاص أو انبعاث كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

1.2. عندما يتم امتصاص كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، ينتقل الإلكترون إلى مستوى ذي قيمة طاقة أعلى، وتنتقل الذرة نفسها إلى حالة مثارة ذات طاقة أعلى، حيث يمكن أن تبقى فقط لمدة 10-8 ثوانٍ.

1.2.1. نظرًا لأن قيمة الطاقة المحددة بدقة مطلوبة للانتقال إلى مستوى طاقة أعلى، فعندما يتم إثارة الذرات بواسطة كميات من الإشعاع الكهرومغناطيسي، يتم امتصاص تلك الكمات فقط التي تساوي طاقتها الفرق بين طاقات الحالات الأولية والنهائية.

1.2.2. إذا تم إثارة مادة ما بواسطة إشعاع ذو طيف مستمر، فسيتم امتصاص الكميات التي تتوافق طاقاتها مع طاقات انتقال الإلكترون إلى مستويات طاقة أعلى. ونتيجة مرور مثل هذا الإشعاع عبر المادة تظهر في طيف هذا الإشعاع خطوط داكنة تسمى طيف الامتصاص .

1.3. يمكن أن يحدث انتقال الذرة إلى الحالة الأرضية إما بشكل مباشر أو من خلال الحركة المتعاقبة للإلكترون إلى مستويات ذات طاقة أقل.

1.4. ويصاحب انتقال الإلكترون إلى مستوى ذو طاقة أقل انبعاث كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تساوي طاقته الفرق بين طاقات مستويات الحالتين الأولية والنهائية.

1.5. نظرًا لأنه يمكن أن يكون هناك الكثير من الحالات المثارة، فإن الكميات المنبعثة لها طاقات مختلفة، وبالتالي أطوال موجية مختلفة.

1.6. وبما أن الحالات المثارة لها قيم طاقة منفصلة، ​​فإن مجموعة الكمات المنبعثة تشكل طيفًا خطيًا.

1.6.1. انتقال الإلكترونات من مستويات الطاقة العالية إلى شكل مستوى معين سلسلة من الخطوط في الطيف، تكون معلماته مميزة لعنصر معين وتختلف عن معلمات سلسلة مماثلة لعنصر آخر.

1.6.2. مجموع السلسلة يشكل الطيف الإشعاع المميز المادة، وهي خاصية لا لبس فيها لهذه المادة.

1.6.3. تم إنشاء طرق التحليل الطيفي بناءً على قياسات معلمات الطيف المميز.

2. عادة ما يحدث انبعاث الكمات من الذرة المثارة في غياب التأثير الخارجي تلقائيا، ويسمى الإشعاع الناتج انبعاث عفوي .

2.1. مع الانبعاث التلقائي، يظهر كل كم بشكل عشوائي وله مرحلة تذبذب خاصة به وبالتالي الانبعاث التلقائي ليس له تماسك زمني .

2.2. وفقا لنظرية الكم، الاحتمال ص العثور على الذرة في حالة من الطاقة εν يطيع توزيع بولتزمان

والذي يسمح، لقيمة معينة من الطاقة الموردة للذرة، بتحديد قدرة الإلكترون على احتلال مستوى أو آخر من مستويات الطاقة.

2.3. يسمى عدد الإلكترونات الموجودة في نفس الوقت في مستوى الطاقة مستوى السكان .

2.4. في غياب التأثيرات الخارجية، يتم الحفاظ على توازن المستويات عند درجة حرارة معينة من خلال الانبعاث التلقائي للكمات.

3. يعتمد نوع طيف الانبعاث التلقائي على حالة الذرة التي ينبعث منها هذا الطيف.

3.1. الذرات المعزولة تنبعث منها إشعاعات الذري نطاق .

3.1.1. يمكن حساب تركيبة الطيف الذري لذرة الهيدروجين والأيونات الشبيهة بالهيدروجين بسهولة باستخدام صيغة بالمر-ريدبيرج.

3.1.2. بالنسبة للذرات والأيونات الأخرى، يعد حساب الأطياف الذرية مهمة أكثر تعقيدًا.

3.2. إذا كانت الذرات تشكل جزيئا، إذن الطيف الجزيئي (مخطط يتراوح ). كل نطاق في هذا الطيف عبارة عن مجموعة من الخطوط الطيفية المتقاربة.

3.2.1. وكما هو الحال في الأطياف الذرية، فإن كل خط في الطيف الجزيئي ينتج عن تغير في طاقة الجزيء.

3.2.2. يمكن تمثيل طاقة الجزيء على النحو التالي:

أين هي طاقة الحركة الانتقالية للجزيء؟ – طاقة الحركة الدورانية للجزيء. – طاقة الحركة الاهتزازية لذرات الجزيء بالنسبة لبعضها البعض؛ – طاقة الغلاف الإلكتروني للجزيء؛ – الطاقة النووية للجزيء.

3.2.3. إن طاقة الحركة الانتقالية للجزيء ليست كمية ولا يمكن أن تؤدي تغيراتها إلى ظهور طيف جزيئي، ويمكن تجاهل التأثير على الطيف الجزيئي كتقدير أولي.

3.2.4. وفقا لقاعدة التردد بوهر

حيث ، هي التغيرات في الأجزاء المقابلة من طاقة الجزيء.

3.2.5. يحدث تكوين الخطوط بسبب حقيقة ذلك

3.2.6. الأطياف الجزيئية لها مظهر معقد إلى حد ما.

3.2.6.1. الطيف الناتج فقط عن الانتقال من مستوى دوراني إلى مستوى دوراني آخر ( الطيف الدوراني ) ، وتقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة (الطول الموجي 0.1 ¸ 1 مم).

3.2.6.2. طيف ينتج فقط عن الانتقال من مستوى اهتزازي إلى مستوى اهتزازي آخر ( الطيف الاهتزازي ) ، وتقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي 1 ¸ 10 ميكرومتر).

3.2.6.3. الطيف الناتج فقط عن الانتقال من مستوى إلكتروني إلى مستوى إلكتروني آخر ( الطيف الذري ) ، وتقع في المناطق المرئية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية من الطيف (الطول الموجي 0.8 ميكرومتر ¸ 10-10 م).

3.2.6.4. عندما تتغير طاقة الحركة الاهتزازية لجزيء ما، يمكن أن تتغير طاقة الحركة الدورانية أيضًا. في هذه الحالة، هناك ينشأ الطيف الاهتزازي الدوراني ، وهو طيف اهتزازي، كل سطر منه مصحوب بخطوط متقاربة من التحولات الدورانية.

3.2.6.5. غالبًا ما تكون التحولات بين المستويات الإلكترونية للجزيء مصحوبة بانتقالات بين مستويات الاهتزاز. والنتيجة هي طيف يسمى الاهتزاز إلكترونيا ، وبما أن التحولات الاهتزازية تكون مصحوبة بانتقالات دورانية، فإن مستويات الاهتزاز في طيف الاهتزاز الإلكتروني يتم تمثيلها كنطاقات غير واضحة.

3.3. تناثر رامان ( دراسة ذاتية).

4. يسمى انتقال الذرات من حالة أكثر إثارة إلى حالة أقل إثارة تحت تأثير كمية خارجية من الإشعاع الكهرومغناطيسي الانبعاث المستحث .

4.1. يعتمد احتمال الانبعاث المحفز على طاقة الكم المؤثرة على الذرات المثارة. إن أقصى احتمال لحدوث الانبعاث المحفز سيكون عندما تكون طاقة الكم المثير مساوية لطاقة الانتقال.

4.2. عندما يمر الكم عبر نظام من الذرات المثارة، يظهر تيار من الكمات، طاقتها تساوي طاقة الكم المثير ( تأثير التعزيز البصري ).

4.3. يحدث امتصاص الضوء في المادة وفقًا لقانون بوغير-لامبرت

أين هو معدل الامتصاص الطبيعي، و X– سماكة الطبقة الماصة .

الزيادة في تدفق الكمات عند المرور عبر المادة مماثلة معامل الامتصاص السلبي (امتصاص الضوء السلبي ).

4.4. بالنسبة للوسط ذو معامل الامتصاص السلبي، يكون قانون Bouguer-Lambert-Fabricant صالحًا

تزداد شدة الضوء بشكل حاد مع زيادة سماكة الطبقة.

4.5. يسمى الوسط ذو معامل الامتصاص السالب وسيلة نشطة .

5. هناك ثلاثة أنواع من التحولات الممكنة بين مستويين للطاقة

انتقال الإلكترون إلى حالة طاقة أعلى عند امتصاص الكم (1)؛ الانتقال التلقائي للإلكترون إلى حالة طاقة أقل (2)؛ الانتقال القسري للإلكترون إلى حالة طاقة أقل (3).

5.1. عدد الإلكترونات في المستويات المثارة يخضع لتوزيع بولتزمان ويسمى مستوى السكان .

5.2. مع مخطط الإشعاع المعتاد، والسكان ن مستوى الطاقة الأعلى أقل من عدد السكان في مستوى الطاقة الأدنى.

5.3. يتناسب عدد أحداث الامتصاص الكمي مع عدد السكان ن 1ـ مستوى طاقة أقل ارتفاعاً، ويتناسب عدد أحداث الانبعاث مع عدد السكان ن 2 مستويات طاقة أعلى.

5.4. يتناسب معدل الامتصاص الطبيعي في قانون بوغيه-لامبرت مع الفرق بين عدد أحداث الامتصاص والانبعاث

أين ك- معامل التناسب.

5.5. في مخطط الإشعاع التقليدي، يكون توزيع بولتزمان للإلكترونات ناتجًا عن التحولات التلقائية ().

5.6. بسبب الإثارة الشديدة لنظام الذرات ( ضخ ) من الممكن تحقيق مثل هذا الانتهاك لتوزيع بولتزمان ن 2 سيكون أكثر ن 1 (عكس السكان ). ومن ثم يصبح معدل الامتصاص الطبيعي أقل من الصفر ونحصل على قانون بوجير-لامبرت-فابريكانت.

6. يتحقق حدوث الانبعاث المحفز في الليزر .

6.1. في البداية، للحصول على الانبعاث المحفز، تم استخدام مخطط ثلاثي المستويات في الياقوت، حيث تحتوي الشبكة البلورية على خليط من الكروم، مما يخلق مستوى إضافيًا مزدوجًا ضيقًا في في منطقة الحالات المثارة.

6.1.1. عندما يتم إثارة النظام الذري بضوء مصباح الزينون ( الضخ البصري ) يتم نقل عدد كبير من الإلكترونات عند امتصاص الكمات (1) من مستوى الأرض أ إلى مستويات متحمسة ج و د .

6.1.2. الإلكترونات من هذه المستويات، من خلال التحولات التلقائية (2) دون إشعاع، تملأ مستوى طاقة أقل في ، مما يخلق مجتمعًا عكسيًا عليه. يتم نقل الطاقة الانتقالية إلى الشبكة البلورية وتزيد من درجة حرارة المادة.

6.1.3. تتم التحولات من المستوى العكسي B إلى المستوى الرئيسي A تحت تأثير الكميات مع طاقة تتوافق مع فرق الطاقة بين المستوى العكسي والمستوى الرئيسي.

6.2. دائرة أجهزة الليزر عبارة عن قضيب أمصنوعة من مادة فعالة، محدودة عند الأطراف بمرآتين - غير شفافة فيوشفافة مع.

6.2.1. بعد ضخ المادة الفعالة، يؤدي الانتقال الأول من المستوى العكسي إلى المستوى الأرضي إلى تكوين الكم، مما يؤدي إلى إطلاق عملية إشعاع الليزر.

6.2.2. يؤدي انتشار الكم في الوسط النشط إلى بدء التحولات القسرية. وفقًا لقانون Bouguer-Lambert-Fabricant، فإن الكميات المنتشرة على طول القضيب تتمتع بأكبر قدر من الكفاءة.

6.2.3. عندما ينعكس من مرآة شفافة، جزء من تدفق الكمات، وهو إشعاع الليزر، يترك الوسط النشط. يعود باقي تدفق الكمات إلى الوسط النشط لبدء التحولات القسرية.

6.2.4. يتم القضاء على انحراف طفيف في اتجاه انتشار الكميات من المحور البلوري باستخدام السطح المنحني للمرايا العاكسة فيو مع.

6.2.5. يزداد تأثير التضخيم الكمي بشكل ملحوظ عند بدء مرور الكمات بشكل متكرر عبر الوسط النشط.

6.2.6. يتكون المستوى العكسي للكروم من مستويين فرعيين وبالتالي فإن إشعاع ليزر الياقوت يتكون من كوانتا ذات طولين موجيين (0.6927 نانومتر و 0.6943 نانومتر).

7. حاليًا، يتم استخدام ما يلي كوسائط نشطة في الليزر:

المواد الصلبة (الياقوت؛ عقيق ألومنيوم الإيتريوم المنشط بالنيوديميوم؛ زجاج النيوديميوم المنشط)؛ الغازات ومخاليط الغاز (N2، CO، CO2، الأبخرة المعدنية)؛ السوائل (محاليل الأصباغ العضوية)؛ أشباه الموصلات.

7.1. يحدث إشعاع الليزر في المواد الصلبة أثناء التحولات بين مستويات الطاقة لذرات الشوائب. الطول الموجي في حدود 0.35¸1.06 ميكرون بقدرة تصل إلى 1 كيلووات.

7.2. يحدث إشعاع الليزر في الغازات غالبًا أثناء التحولات الاهتزازية الإلكترونية بين الحالات الإلكترونية المختلفة (ليزر N2، ليزر الإكسيمر) أو أثناء التحولات الاهتزازية الدورانية داخل حالة إلكترونية واحدة (ليزر ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون). الطول الموجي في حدود 5¸11 ميكرون بقدرة تصل إلى 15 كيلووات.

7.3. إشعاع الليزر في السوائل أثناء التحولات الإلكترونية بين مستويات الطاقة للأصباغ. الطول الموجي في حدود 0.2¸5 ميكرون بقدرة تصل إلى 1.5 وات. التعديل السلس للطول الموجي ممكن.

7.4. يتم إنشاء الانعكاس السكاني في ليزرات أشباه الموصلات عن طريق التحولات بين الحالات في نطاقات التكافؤ لبلورة أشباه الموصلات، وليس بين المستويات المنفصلة. الطول الموجي في حدود 0.75¸30 ميكرون بقدرة تصل إلى 0.5 وات.

8. الخصائص الرئيسية لإشعاع الليزر هي:

التماسك المكاني والزماني للإشعاع . وقت التماسك يصل إلى 10-3 ثانية. وهذا يتوافق مع طول تماسك يبلغ حوالي 105 م. إشعاع أحادي اللون جيد . تكون مستويات الشوائب أضيق بكثير من مستويات المادة الرئيسية وبالتالي فإن العرض الطيفي للإشعاع لا يجوز أن يتجاوز 10-11¸10-10 م. انحراف شعاع منخفض :

0.5¸10 مراد لليزر الغازي؛

0.2¸5 مراد لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة.

كثافة طاقة عالية في شعاع مركّز (حتى 1010 واط/م2).

إذا كان النظام في حالة توازن ديناميكي حراري مع البيئة الخارجية، فإن احتمال وجود أي ذرة في مستوى طاقة يتميز بالعوامل أو إذا كان العدد الإجمالي للذرات المكونة للنظام، فإن عدد الذرات التي تسكن مستويات الطاقة ، أي أن عدد سكان هذه المستويات يساوي

فيما يلي الأوزان الإحصائية لهذه المستويات (درجات الانحطاط)، أي عدد الحالات أو مجموعات الأرقام الكمومية المختلفة لمستوى طاقة معين.

وبالتالي، يتم تحديد نسبة السكان في مستويات الطاقة هذه من خلال التعبير

وفي حالة الدول غير المتدهورة، أي عندما يكون لدينا

إذاً، في حالة التوازن الديناميكي الحراري، سيكون عدد السكان ودرجة الحرارة، معبراً عنهما من خلال نسبة سكان المستوى، مساوياً لـ

وفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، فإن النظام يميل دائما إلى التوازن، وإذا حدث أي تأثير خارجي يؤدي إلى ذلك

من حالة التوازن الديناميكي الحراري (على سبيل المثال، حالة ذرات المنشط في الياقوت بعد الضخ البصري)، فإن النظام، من خلال إعادة توزيع الطاقة، سوف ينتقل بنفسه إلى توازن ديناميكي حراري جديد. عادةً ما تسمى هذه العمليات التي تعيد النظام إلى حالة التوازن بعمليات الاسترخاء. دعونا نحلل التعبير عن درجة حرارة النظام من خلال مجموعات مستويات الطاقة.

1. إذا، على سبيل المثال، جميع الذرات في حالة مستقرة بشكل أساسي.

2. إذا كان عدد السكان (أي مستويات الطاقة المنخفضة) لديهم عدد سكان أعلى من السكان المرتفعين. تقترب حالات النظام هذه من حالة التوازن.

3. إذا تمكنا، نتيجة لتأثير خارجي، من إعادة توزيع الجزيئات في النظام بحيث يصبح عدد مستويات الطاقة العالية أكبر من عدد المستويات المنخفضة، أي أنه من السهل التحقق من أن هذه الحالة تتوافق مع قيمة درجة الحرارة السلبية تسمى حالة النظام هذه بحالة السكان المقلوبين. ومع ذلك، ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أنه مع السكان المقلوبين لا ينطبق توزيع بولتزمان، وبالتالي فإن تحديد درجة الحرارة السلبية لا يمكن اعتباره إلا تحديدًا لحالة عدم التوازن.