Dom » Onkologija » Inverzija stanovništva. Obrnuta populacija Supstanca s invertiranom populacijom naziva se

Inverzija stanovništva. Obrnuta populacija Supstanca s invertiranom populacijom naziva se

Prolazak zračenja kroz materiju. Inverzna populacija nivoa. Razmotrimo ponovo medij na dva nivoa sa energetskim nivoima I . Ako monokromatsko zračenje sa frekvencijom padne na ovaj medij

onda kada se širi na daljinu dx promena spektralne gustine energije biće povezana i sa rezonantnom apsorpcijom i sa indukovanom (stimulisanom) emisijom atoma sistema. Zbog stimulirane emisije, spektralna gustoća energije povećava se u zraku, a ovo povećanje energije mora biti proporcionalno:

Ovdje je koeficijent proporcionalnosti dimenzija.

Slično, zbog procesa apsorpcije fotona, spektralna gustoća energije u snopu opada:

preklapanje I , nalazimo potpunu promjenu gustina energije:

S obzirom na jednakost Einsteinovih koeficijenata i unos koeficijenta apsorpcije a, zapisujemo ovu jednačinu u obliku

Rješenje ove diferencijalne jednadžbe ima oblik

Ova formula daje spektralnu gustoću energije u u snopu fotona dok prolaze kroz debeli sloj materije x, gdje odgovara tački x = 0 .

U uslovima termodinamičke ravnoteže, u skladu sa Boltzmannom raspodelom, , stoga je koeficijent apsorpcije a pozitivan () :

Dakle, gustoća energije zračenja, kao što se može vidjeti iz (6.18), opada kako prolazi kroz materiju, odnosno svjetlost se apsorbira. Međutim, ako kreirate sistem u kojem , tada će koeficijent apsorpcije postati negativan i neće doći do slabljenja, već povećanje intenziteta Sveta. Stanje sredine u kojoj se zove stanje sa inverznom populacijom nivoa, i sama okolina se tada naziva aktivni medij. Inverzna populacija nivoa je u suprotnosti sa Boltzmannovom ravnotežnom raspodelom i može se veštački stvoriti ako se sistem izvede iz stanja termodinamičke ravnoteže.

Ovo stvara temeljnu mogućnost pojačanja i generisanja koherentnog optičkog zračenja i koristi se u praksi u razvoju izvora takvog zračenja - lasera.

Princip rada lasera. Stvaranje lasera postalo je moguće nakon što su pronađene metode za invertiranje populacije nivoa u nekim supstancama (aktivnim medijima). Prvi praktični generator u vidljivom području spektra stvoren je u (SAD od Mayman-a (1960)) na bazi rubina. Rubin je kristalna rešetka koja sadrži mali ( 0,03 % – 0,05 % ) primjesa jona hroma (). Na sl. Slika 6.1 prikazuje dijagram energetskih nivoa hroma ( troslojno okruženje). Široki nivo koristi se za pobuđivanje jona hroma svetlošću iz moćne lampe na gasno pražnjenje sa širokim frekvencijskim opsegom u zeleno-plavom području vidljive svetlosti - pumpe lampe. Pobuđivanje jona hroma usled energije pumpe iz spoljašnjeg izvora prikazano je strelicom .

Rice. 6.1. Dijagram aktivnog okruženja na tri nivoa (rubin)

Elektroni sa kratkotrajnog nivoa čine brzu ( c) neradijativni prijelaz na nivo (prikazano plavom strelicom) . Energija oslobođena u ovom slučaju se ne emituje u obliku fotona, već se prenosi na kristal rubina. U ovom slučaju rubin se zagrijava, tako da laserski dizajn osigurava njegovo hlađenje.

Životni vijek dugovječnog uskog grla iznosi c, odnosno 5 redova veličine više od širokopojasnog nivoa . Uz dovoljnu snagu pumpe, broj elektrona na nivou (tzv metastabilan) postaje više nego nivo , odnosno stvara se inverzna populacija između „radnih“ nivoa i .

Foton emitovan tokom spontane tranzicije između ovih nivoa (prikazano isprekidanom strelicom) inducira emisiju dodatnih (stimuliranih) fotona - (prijelaz je prikazan strelicom), što zauzvrat uzrokuje inducirano emisija čitave kaskade fotona sa talasnom dužinom.

Primjer 1. Odredimo relativnu populaciju radnih nivoa u kristalu rubina na sobnoj temperaturi u uslovima termodinamičke ravnoteže.

Na osnovu talasne dužine koju emituje rubin laser, nalazimo razliku u energiji:

Na sobnoj temperaturi T = 300 K imamo:

Iz Boltzmannove distribucije to sada slijedi

Implementacija aktivnog medija sa invertiranom populacijom nivoa je samo pola bitke. Da bi laser radio, potrebno je stvoriti i uslove za generisanje svjetlosti, odnosno korištenje pozitivne povratne informacije. Sam aktivni medij može samo pojačati preneseno zračenje. Za implementaciju laserskog režima potrebno je pojačati stimulisano zračenje na način da se nadoknade svi gubici u sistemu. Da biste to učinili, aktivna tvar se stavlja u optički rezonator, formirana, po pravilu, od dva paralelna ogledala, od kojih je jedno prozirno i služi za izvođenje zračenja iz rezonatora. Strukturno, prvi rubin laseri su koristili cilindrične kristale dužine 40 mm i prečnika 5 mm. Krajevi su polirani paralelno jedan prema drugom i služili su kao rezonatorska ogledala. Jedan od krajeva je bio posrebren tako da je koeficijent refleksije bio blizu jedinice, a drugi kraj je bio proziran, odnosno imao je koeficijent refleksije manji od jedinice i služio je za izlaz zračenja iz rezonatora. Izvor pobude bila je moćna pulsirajuća ksenonska lampa koja je omotala spiralu oko rubina. Uređaj rubin lasera je shematski prikazan na Sl. 6.2.

Rice. 6.2. Ruby laser uređaj: 1- rubin štap; 2- pulsirajuća lampa s plinskim pražnjenjem; 3- prozirno ogledalo; 4- ogledalo; 5- stimulisana emisija

Uz dovoljnu snagu lampe pumpe, većina (oko polovina) jona hroma prelazi u pobuđeno stanje. Nakon što se postiže inverzija stanovništva za radne nivoe sa energijom I , prvi spontano emitovani fotoni koji odgovaraju prijelazu između ovih nivoa nemaju željeni smjer širenja i uzrokuju stimuliranu emisiju, koja se također širi u svim smjerovima u kristalu rubina. Podsjetimo da fotoni proizvedeni stimuliranom emisijom lete u istom smjeru kao i upadni fotoni. Fotoni, čiji pravci kretanja formiraju male uglove sa osom kristalnog štapa, doživljavaju višestruke refleksije sa njegovih krajeva. Fotoni koji se šire u drugim smjerovima izlaze iz kristala rubina kroz njegovu bočnu površinu i ne sudjeluju u formiranju izlaznog zračenja. Ovako se stvara u rezonatoru uska punđa svjetlost, a ponovljeni prolazak fotona kroz aktivni medij indukuje emisiju sve većeg broja fotona, povećavajući intenzitet izlaznog snopa.

Generiranje svjetlosnog zračenja rubin laserom prikazano je na Sl. 6.3.

Rice. 6.3. Generiranje zračenja iz rubin lasera

Dakle, optički rezonator obavlja dvije funkcije: prvo, stvara pozitivnu povratnu vezu i, drugo, formira uski usmjereni snop zračenja određene prostorne strukture.

U razmatranoj trostepenoj shemi, da bi se stvorila inverzija populacije između radnih nivoa, potrebno je pobuditi dovoljno veliki dio atoma, što zahtijeva značajan utrošak energije. Efikasnije je četvorostepena šema, koji se koristi u laserima u čvrstom stanju, na primjer koristeći neodimijum ione. U najčešćem gasnom laseru na neutralnim atomima - helijum- neonski laser - ispunjeni su i uslovi za proizvodnju po četvorostepenoj šemi. Aktivni medij u takvom laseru je mješavina inertnih plinova - helijum i neon sa energijom osnovnog stanja (što uzimamo kao nulti nivo). Pumpanje se vrši u procesu električnog plinskog pražnjenja, zbog čega atomi s energijom prelaze u pobuđeno stanje . Nivo u atomima neona (slika 6.4) je blizu nivoa u helijumu, a kada se atomi helijuma sudare sa atomima neona, energija pobude se može efikasno preneti na potonje bez zračenja.

Rice. 6.4. Dijagram nivoa Ne- Ne-laser

Dakle nivo neon se ispostavi da je naseljeniji od nižeg nivoa . Prijelaz između ovih radnih nivoa je praćen zračenjem s talasnom dužinom 632,8 nm, što je osnovno u industriji Ne-Ne-laseri. Na nivou atomi neona ne ostaju dugo, brzo se vraćaju u osnovno stanje. Imajte na umu da nivo neon je naseljen krajnje neznatno, te stoga stvara inverznu populaciju između I potrebno je pobuditi mali broj atoma helijuma. Ovo zahtijeva mnogo manje energije i za pumpanje i za hlađenje instalacije, što je tipično za šemu proizvodnje na četiri nivoa. Za lasersko lasersko zračenje, drugi nivoi neona se mogu koristiti (nije prikazano na slici 6.4), proizvodeći zračenje i u vidljivom i u IC opsegu, pri čemu se helijum koristi samo za proces pumpanja.

Primjer 2. Nađimo relativnu ravnotežnu populaciju nivoa u neonu na sobnoj temperaturi.

Ovaj problem se razlikuje od prethodnog samo u brojčanim vrijednostima. Radi raznolikosti, izvršimo proračune u elektron voltima. Hajde da prvo izrazimo Boltzmannu konstantu u ovim jedinicama:

dakle na sobnoj temperaturi

Sada možemo lako pronaći

Sa praktične tačke gledišta, tako mali broj se ne razlikuje od nule, pa se čak i uz slabo pumpanje stvara inverzna populacija između nivoa I .

Lasersko zračenje ima karakteristične karakteristike:

visoka vremenska i prostorna koherentnost (monokromatsko zračenje i divergencija niskog snopa);

visokog spektralnog intenziteta.

Karakteristike zračenja ovise o vrsti lasera i načinu rada, međutim, mogu se primijetiti neki parametri blizu graničnih vrijednosti:

Kratki (pikosekundni) laserski impulsi su nezamjenjivi pri proučavanju brzih procesa. U impulsu se može razviti izuzetno velika vršna snaga (do nekoliko GW), koja je jednaka snazi nekoliko jedinica nuklearne elektrane od milion kW svaka. U ovom slučaju, zračenje se može koncentrirati u uskom konusu. Takve zrake omogućuju, na primjer, "zavarivanje" mrežnice na fundus oka.

Vrste lasera. Kao dio općeg kursa fizike, ne možemo se detaljno baviti specifičnim karakteristikama i tehničkim primjenama različitih tipova lasera zbog njihove ekstremne raznolikosti. Ograničićemo se samo na prilično kratak pregled tipova lasera koji se razlikuju po karakteristikama aktivnog medija i metodama pumpanja.

Solid state laseri. Oni su obično pulsirani, prvi takav laser bio je gore opisani laser. Popularni su stakleni laseri s neodimijumom kao radnom tvari. Oni generišu svetlost talasne dužine reda 1,06 µm, velike su veličine i imaju vršnu snagu do TW. Može se koristiti za eksperimente kontrolirane termonuklearne fuzije. Primjer je ogroman Shiva laser u Livermore laboratoriji u SAD-u.

Vrlo česti laseri su itrijum aluminijski granat sa neodimijumom (Nd:YAG), koji emituje u infracrvenom opsegu na talasnoj dužini µm. Mogu raditi i u kontinuiranom načinu generiranja i u pulsnom načinu rada, sa brzinom ponavljanja impulsa do nekoliko kHz (za poređenje: rubin laser ima 1 impuls svakih nekoliko minuta). Imaju široku primenu u elektronskoj tehnologiji (laserska tehnologija), optičkom dometu, medicini itd.

Gasni laseri. To su obično kontinuirani laseri. Odlikuje ih ispravna prostorna struktura grede. Primer: Helijum-neonski laser koji generiše svetlost na talasnim dužinama 0,63 , 1,15 I 3,39 µm i ima snagu reda mW. Široko se koristi u tehnologiji - laser snage reda kW i valnih dužina 9,6 I 10,6 µm. Jedan od načina za pumpanje gasnih lasera je kroz električno pražnjenje. Različiti laseri sa aktivnim gasovitim medijem su hemijski i ekscimer laseri.

Hemijski laseri. Inverzija stanovništva nastaje hemijskom reakcijom između dva gasa, kao što su vodonik (deuterijum) i fluor. Zasnovano na egzotermnim reakcijama

Molekule HF već se rađaju sa pobudom oscilacija, što odmah stvara inverznu populaciju. Dobivena radna smjesa se propušta nadzvučnom brzinom kroz optički rezonator, u kojem se dio akumulirane energije oslobađa u obliku elektromagnetnog zračenja. Koristeći sistem rezonatorskih ogledala, ovo zračenje se fokusira u uski snop. Takvi laseri emituju veliku energiju (više 2 kJ), trajanje pulsa cca. 30 ns, snaga do W. Efikasnost (hemijska) dostiže 10 % , dok obično za druge vrste lasera - djelići procenta. Generirana talasna dužina - 2,8 µm(3,8 µm za lasere uključene DF).

Od brojnih vrsta hemijskih lasera, laseri sa fluorovodikom (deuterijum) su prepoznati kao najperspektivniji. Problemi: zračenje lasera sa fluorovodikom određene talasne dužine aktivno se raspršuje molekulima vode, koji su uvek prisutni u atmosferi. To uvelike smanjuje svjetlinu zračenja. Laser deuterijum fluorida radi na talasnoj dužini za koju je atmosfera skoro providna. Međutim, specifično oslobađanje energije takvih lasera je jedan i pol puta manje nego kod lasera na bazi HF. To znači da će se prilikom njihove upotrebe u svemiru morati ukloniti mnogo veće količine hemijskog goriva.

Excimer laseri. Ekscimerne molekule su dvoatomne molekule (na primjer, ) koje mogu biti samo u pobuđenom stanju - njihovo nepobuđeno stanje se ispostavilo da je nestabilno. Glavna karakteristika ekscimer lasera je povezana sa ovim: osnovno stanje eksimernih molekula je nepopunjeno, odnosno donji radni laserski nivo je uvek prazan. Pumpanje se vrši impulsnim snopom elektrona, koji značajan dio atoma prenosi u pobuđeno stanje, u kojem se spajaju u ekscimerne molekule.

Pošto je prelaz između radnih nivoa širokopojasni, moguće je podešavanje frekvencije proizvodnje. Laser ne proizvodi podesivo zračenje u UV području ( nm) i ima visoku efikasnost ( 20 % ) pretvaranje energije. Trenutno, ekscimer laseri sa talasnom dužinom 193 nm koristi se u oftalmološkoj hirurgiji za površinsko isparavanje (ablaciju) rožnjače.

Tečni laseri. Aktivna tvar u tečnom stanju je homogena i omogućava cirkulaciju radi hlađenja, što stvara prednosti u odnosu na lasere u čvrstom stanju. Ovo vam omogućava da dobijete visoke energije i snage u impulsnim i kontinuiranim režimima. Prvi tečni laseri (1964–1965) koristili su jedinjenja retkih zemalja. Zamijenjeni su laserima koristeći otopine organskih boja.

Takvi laseri obično koriste optičko pumpanje zračenja drugih lasera u vidljivom ili UV opsegu. Zanimljivo svojstvo lasera na boji je mogućnost podešavanja frekvencije generisanja. Odabirom boje, laser se može postići na bilo kojoj talasnoj dužini od bliskog IR do skorog UV opsega. To je zbog širokog kontinuiranog vibraciono-rotacionog spektra tekućih molekula.

Poluprovodnički laseri. Solid-state laseri na bazi poluprovodničkih materijala klasifikovani su u posebnu klasu. Pumpanje se vrši bombardiranjem elektronskim snopom, snažnim laserskim zračenjem, ali češće elektronskim metodama. Poluprovodnički laseri ne koriste prelaze između diskretnih energetskih nivoa pojedinačnih atoma ili molekula, već između dozvoljenih energetskih opsega, odnosno skupova blisko raspoređenih nivoa (energetske trake u kristalima su detaljnije razmatrane u narednim odeljcima). Upotreba različitih poluvodičkih materijala omogućava dobijanje zračenja na talasnim dužinama od 0,7 prije 1,6 µm. Dimenzije aktivnog elementa su izuzetno male: dužina rezonatora može biti manja od 1 mm.

Tipična snaga je reda veličine nekoliko kW, trajanje impulsa je otprilike 3 ns, efikasnost dostiže 50 % , imaju široku primjenu (optika, komunikacije). Može se koristiti za projektovanje televizijskih slika na veliki ekran.

Laseri slobodnih elektrona. Snop visokoenergetskih elektrona prolazi kroz "magnetski češalj" - prostorno periodično magnetsko polje koje prisiljava elektrone da osciliraju na datoj frekvenciji. Odgovarajući uređaj - undulator - je niz magneta koji se nalaze između sekcija akceleratora, tako da se relativistički elektroni kreću duž osi ondulatora i osciliraju poprečno na nju, emitujući primarni ("spontani") elektromagnetski val. U otvorenom rezonatoru, gdje elektroni zatim ulaze, spontani elektromagnetski talas se pojačava, stvarajući koherentno usmjereno lasersko zračenje. Glavna karakteristika lasera sa slobodnim elektronima je mogućnost glatkog podešavanja frekvencije generisanja (od vidljivog do IR opsega) promjenom kinetičke energije elektrona. Efikasnost takvih lasera je 1 % pri prosječnoj snazi do 4 W. Koristeći uređaje za vraćanje elektrona u rezonator, efikasnost se može povećati na 20–40 % .

X-ray laser With nuklearno pumpanje. Ovo je najegzotičniji laser. Shematski predstavlja nuklearnu bojevu glavu, na čiju površinu je postavljeno do 50 metalnih šipki, orijentiranih u različitim smjerovima. Štapovi imaju dva stepena slobode i, poput cijevi pištolja, mogu se usmjeriti u bilo koju tačku u prostoru. Duž ose svakog štapa nalazi se tanka žica napravljena od materijala visoke gustine (po redu gustine zlata) - aktivnog medija. Izvor energije laserskog pumpanja je nuklearna eksplozija. Tokom eksplozije, aktivna tvar prelazi u stanje plazme. Trenutačno se hladeći, plazma emituje koherentno zračenje u mekom rendgenskom opsegu. Zbog visoke koncentracije energije, zračenje koje pogodi metu dovodi do eksplozivnog isparavanja tvari, stvaranja udarnog vala i uništenja mete.

Dakle, princip rada i dizajn rendgenskog lasera čine očiglednim obim njegove primjene. Opisani laser nema zrcala za šupljinu, čija upotreba u rendgenskom području nije moguća.

Neke vrste lasera prikazane su na donjoj slici.

Neke vrste lasera: 1- laboratorijski laser; 2- kontinuirano uključen laser;
3 - tehnološki laser za bušenje rupa; 4- moćan tehnološki laser

Razmotrimo sistem na dva nivoa sa atomskom gustinom na dnu n 1 i vrh n 2 nivoa energije.

Vjerovatnoća prisilnog prijelaza s prvog nivoa na drugi je jednaka:

Gdje σ 12 – verovatnoća prelaza pod uticajem intenziteta zračenja J.

Tada će broj induciranih prijelaza po jedinici vremena biti

Sistem se sa drugog nivoa može pomaknuti na dva načina: prisilno i spontano. Spontani prelazi su neophodni da bi sistem mogao da postigne stanje termodinamičke ravnoteže nakon završetka spoljašnje pobude. Spontani prijelazi se mogu smatrati prijelazima uzrokovanim toplinskim zračenjem medija. Broj spontanih prijelaza u jedinici vremena jednak je , gdje je A 2 – vjerovatnoća spontane tranzicije. Broj prinudnih prijelaza sa drugog nivoa je

Odnos efektivnog poprečnog preseka apsorpcije i emisije je jednak

Gdje g 1 , g 2 višestrukost degeneracije nivoa.

Jednačina ravnoteže određena je zbrojem populacija nivoa, koji mora biti jednak ukupnom broju n 0 čestica u sistemu n 1 +n 2 =n 0 .

Promjena populacije tokom vremena opisana je sljedećim jednadžbama.

Rješenje ovih jednačina je sljedeće.

Rješenje ovih jednadžbi u stacionarnom slučaju, kada su vremenski derivati populacija jednaki nuli: bit će:

Inverzna populacija dvostepenog sistema će biti obezbeđena, ili

Iz toga proizilazi da je jedino kada je multiplicitet degeneracije gornjeg nivoa veći od multiplicitnosti degeneracije glavnog nivoa, uzimajući u obzir gubitke stanovništva usled spontanih tranzicija, moguće stanje sa invertiranom populacijom. Za atomske sisteme to je malo vjerovatno. Međutim, to je moguće za poluvodiče, budući da je višestrukost degeneracije stanja pojasa provodljivosti i valentnog pojasa određena gustinom stanja.

Inverzna populacija sistema na tri nivoa

Ako posmatramo sistem od tri nivoa sa energijama E 1 , E 2 , E 3, i E 1 >E 2 >E 3 i populacije n 1 , n 2 , n 3, tada će jednačine za populacije biti.

Rješenje ovih jednadžbi u odnosu na inverznu populaciju bez uzimanja u obzir razlike u višestrukosti degeneracije nivoa u stacionarnom slučaju će biti:

U stacionarnom kućištu

Uslov za prisustvo inverzne populacije Δ>0 je zadovoljen ako

Sistem od tri nivoa u poluprovodnicima može se smatrati sistemom u kojem je donji nivo valentni pojas, a dva gornja nivoa dva stanja provodnog pojasa. Tipično, unutar pojasa provodljivosti, vjerovatnoća neradijativnih prijelaza je mnogo veća od vjerovatnoće prijelaza zona-zona, dakle A 32 » A 31, stoga će uvjet inverzije populacije biti:

Zbog

gdje je ρ 13 gustoća energije pumpe usrednjena u apsorpcionom pojasu aktivnog materijala;

Električna provodljivost u jakim električnim poljima

Nelinearni Ohmov zakon

U jakim električnim poljima sila koja djeluje na česticu se povećava, što dovodi do povećanja brzine čestice. Sve dok je brzina čestice manja od brzine toplotnog kretanja, uticaj električnog polja na električnu provodljivost je beznačajan i Omov linearni zakon je zadovoljen. Kako se povećava jačina električnog polja, povećava se i brzina drifta čestice, a ovisnost električne provodljivosti o jakosti električnog polja postaje linearna.

Budući da srednja slobodna putanja za vrijeme raspršenja vibracijama kristalne rešetke ne ovisi o energiji, s povećanjem jakosti električnog polja i brzine drifta, vrijeme relaksacije će se smanjiti, a mobilnost će se smanjiti. Sila koja djeluje na česticu u električnom polju intenziteta E jednak ona. Ova sila uzrokuje ubrzanje i mijenja toplinsku brzinu čestice v T. Pod uticajem električnog polja, čestica se ubrzava i u jedinici vremena dobija energiju jednaku radu sila ona:

(7.1) .

S druge strane, energija koju je izgubila čestica u jednom sudaru ili tokom njenog slobodnog puta je mali dio (ξ) ukupne energije T i po jedinici vremena. Stoga možemo napisati: .

Izjednačavajući ovaj izraz sa formulom (7.1), možemo dobiti jednačinu za jačinu električnog polja i brzinu čestice:

(7.2) , ili . .

Za rasipanje oscilacijama, srednja slobodna putanja je konstantna, tada će brzina zavisi od jačine električnog polja biti:

Gdje će mobilnost ovisiti o jačini električnog polja na sljedeći način:

Kako se jačina električnog polja povećava, mobilnost se smanjuje.

Ohmov nelinearni zakon u jakim poljima imat će sljedeći oblik: .

Zinner efekat

Zinnerov efekat se manifestuje u polju emisija elektrona zbog prelaza zona-zona tuneliranja. Kada se elektron kreće s jednog mjesta kristalne rešetke na drugo, potrebno je savladati potencijalnu barijeru koja razdvaja ta dva mjesta. Ova potencijalna barijera određuje jaz u pojasu. Primjena električnog polja snižava potencijalnu barijeru u smjeru suprotnom od smjera vanjskog električnog polja i povećava vjerovatnoću tunelskog prijelaza elektrona iz stanja vezanog za jezgro u provodni pojas. Po svojoj prirodi, ovaj prijelaz se događa s elektronima valentnog pojasa i tok elektrona će biti usmjeren iz čvora kristalne rešetke u slobodno stanje vodljivog pojasa. Ovaj efekat se takođe naziva Zinnerov proboj ili emisija hladnih elektrona. Uočava se u električnim poljima jačine 10 4 – 10 5 V/cm.

Starkov efekat

Starkov efekat dovodi do pomaka u energiji atomskih nivoa i širenja valentnog pojasa. Ovo je analogno smanjenju pojasnog pojasa i povećanju ravnotežne koncentracije elektrona i rupa.

U državama na daljinu r 0 iz jezgra atoma, sila koja djeluje na elektron iz vanjskog električnog polja može uravnotežiti silu privlačenja prema jezgru:

U ovom slučaju moguće je ukloniti elektron iz atoma i prebaciti ga u slobodno stanje. Iz formule (7.6), jonizaciona udaljenost je jednaka:

Ovaj efekat smanjuje potencijalnu barijeru za prelazak elektrona u slobodno stanje za iznos:

(7.7) .

Smanjenje potencijalne barijere dovodi do povećanja vjerovatnoće toplinske ekscitacije za iznos:

(7.8) .

Ovaj efekat se primećuje u električnim poljima jačine od 10 5 – 10 6 V/cm.

Gan efekat

Ovaj efekat se primećuje kod poluprovodnika sa dva energetska minimuma provodnog pojasa različite zakrivljenosti, a efektivna masa lokalnog minimuma mora biti veća od efektivne mase osnovnog stanja apsolutnog minimuma. Na jakim nivoima ubrizgavanja, elektroni mogu ispuniti osnovna minimalna stanja i kretati se od osnovnog minimuma do drugog lokalnog minimuma. Budući da je masa elektrona u lokalnom minimumu velika, pokretljivost pomaka prenesenih elektrona bit će manja, što će dovesti do smanjenja električne provodljivosti. Ovo smanjenje će uzrokovati smanjenje struje i smanjenje ubrizgavanja u provodni pojas, što će dovesti do taloženja elektrona u glavnom minimumu vodljivog pojasa, vraćanja izvornog stanja i povećanja struje. Kao rezultat, dolazi do fluktuacija struje visoke frekvencije.

Ovaj efekat je primećen u GaAs n tip kada se daje uzorku dužine 0,025 mm. impuls napona 16 V sa trajanjem od 10 8 Hz. Frekvencija oscilovanja bila je 10 9 Hz.

Hahnov efekat se opaža u poljima u kojima je brzina drifta uporediva sa toplotnom brzinom elektrona.

Eksitoni u čvrstim materijama

Priroda ekscitona

Ako je kristal pobuđen elektromagnetnim poljem, tada se elektroni iz vodljivog pojasa kreću u valentni pojas, formirajući par elektron-rupa: elektron u vodljivom pojasu i rupu u valentnom pojasu. Rupa se pojavljuje kao pozitivan naboj, jer odsustvo negativnog naboja elektrona u elektroneutralnom valentnom pojasu dovodi do pojave pozitivnog naboja. Stoga se unutar para javlja interakcija privlačnosti. Budući da je privlačna energija negativna, rezultirajuća energija prijelaza bit će manja od energije pojasnog pojasa za količinu privlačne energije između elektrona i rupe u paru. Ova energija se može napisati na sljedeći način:

Gdje - e– naelektrisanje elektrona, Ze- naboj atoma iz kojeg je elektron prešao u provodni pojas, r eh– udaljenost između elektrona i rupe, e-koeficijent koji određuje smanjenje interakcije između elektrona i rupe u odnosu na interakcije točkastih naboja u vakuumu ili dielektrične konstante mikroskopskog tipa.

Ako se prijelaz elektrona dogodi na neutralnom mjestu kristalne rešetke, onda Z=1 i naelektrisanje rupe je e naboj elektrona suprotnog predznaka. Ako se valencija mjesta razlikuje za jedan od valencije glavnih atoma kristalne rešetke, tada Z=2.

Dielektrična konstanta mikroskopskog tipa e određena je s dva faktora:

· Interakcija između elektrona i rupe događa se u kristalnom mediju. Ovo polarizuje kristalnu rešetku i sila interakcije između elektrona i rupe je oslabljena.

· Elektron i rupa u kristalu ne mogu se predstaviti kao tačkasta naelektrisanja, već kao naelektrisanja čije su gustine „razmazane“ u prostoru. Ovo smanjuje silu interakcije između elektrona i rupe. Slična situacija se može uočiti i kod atoma. Interakcija između elektrona u atomu je 5-7 puta manja od interakcije između elektrona i jezgre, iako razmaci između njih mogu biti uporedivi. To se događa zbog činjenice da elektroni u orbiti nisu koncentrirani u jednoj tački, već ih karakterizira gustina raspodjele, što smanjuje interakciju između njih. Jezgro atoma se može sa dobrim stepenom tačnosti predstaviti kao tačkasto naelektrisanje, pa će interakcija elektrona sa jezgrom biti veća od interakcije između elektrona, što obezbeđuje stabilnost postojanja atoma.

Utjecaj ova dva faktora je različit za eksitone različitih tipova: Frenkel ekscitoni (mali radijus) i Wanijerovi ekscitoni (veliki radijus).

Energija i radijus eksitona

Energija vezivanja eksitona ovisi o udaljenosti između elektrona i rupe. Elektron i rupa kreću se u odnosu na centar mase u orbiti sa polumjerom eksitona r eh. Za stabilno postojanje ekscitona potrebno je da se u ekscitonskoj orbiti formira stajaći val s brojem valova n.. Gdje možete dobiti omjer:

Gdje R- količina kretanja elektrona i rupe u odnosu jedan prema drugom. Količina kretanja može se izraziti kroz kinetičku energiju T relativnog kretanja elektrona i rupe: , gdje je m smanjena masa eksitona.

Redukovana masa eksitona treba da se sastoji od efektivnih masa elektrona i rupe, kao harmonijske srednje vrednosti. Ako je masa rupe velika, tada kinetičku energiju eksitona ili kinetičku energiju kretanja elektrona u odnosu na rupu treba odrediti masom elektrona. Zbog toga

Ako su efektivne mase elektrona i rupa jednake, onda je redukovana masa eksitona jednaka ½ ako postoji lokalizirani eksiton; m h>>m e a redukovana masa eksitona jednaka je jedinici.

Za besplatni eksciton Z=1, m¢=1/2, energija eksitona i radijus su jednaki

(8.7) .

Za lokalizirani eksciton Z=2, m¢=1 Energija eksitona i radijus su jednaki

(8.8) .

Dakle, ispada da je energija nivoa slobodnog eksitona 8 puta manja od energije lokalizovanog eksitona, a radijus je 4 puta veći.

Da bi se proučavalo pojačanje upadne svjetlosti, potrebno je nekako obrnuti populaciju nivoa. One. pobrinite se da veća vrijednost energije odgovara većem broju atoma. U ovom slučaju kažu da skup atoma ima inverznu (obrnutu) populaciju nivoa.

Odnos broja atoma na nivoima i jednak je:

U slučaju inverzije stanovništva. Iz toga slijedi da eksponent mora biti veći od nule - . Ali . Dakle, da bi eksponent bio veći od nule, temperatura mora biti negativna - .

Stoga se stanje s invertiranom populacijom nivoa ponekad naziva stanjem s negativnom temperaturom. Ali ovaj izraz je uslovan, jer je sam koncept temperature primjenjiv na ravnotežna stanja, a stanje s invertiranom populacijom je neravnotežno stanje.

U slučaju inverzije populacije, svjetlost koja prolazi kroz supstancu će biti pojačana. Formalno, to odgovara činjenici da će u Bouguerovom zakonu koeficijent apsorpcije biti negativan. One. skup atoma sa invertiranom populacijom nivoa može se smatrati medijumom sa negativnim koeficijentom apsorpcije.

Dakle, da bismo pojačali svjetlost supstancom, moramo stvoriti inverznu populaciju nivoa ove supstance. Pogledajmo kako se to radi na primjeru rubin lasera.

Rubin je aluminijev oksid u kojem su neki atomi aluminija zamijenjeni atomima hroma. Ovaj rubin je ozračen širokim spektrom frekvencija elektromagnetnih talasa. U tom slučaju joni hroma prelaze u pobuđeno stanje (vidi sliku 4). Joni aluminijuma ne igraju značajnu ulogu u ovom pitanju.

Energetsko stanje predstavlja čitav pojas zbog interakcije jona sa kristalnom rešetkom. Sa nivoa su moguća dva puta za jone hroma.

1. Vratiti se u prvobitno stanje sa energijom uz emisiju fotona.

2. Prelazak u metastabilno stanje sa energijom kroz termičku interakciju sa jonima kristalne rešetke aluminijuma.

Životni vijek na nivou, kao i obično, jednak je vijeku trajanja u pobuđenom stanju - . Spontani prelazak na nivo je označen strelicom, a prelazak na metastabilni nivo je označen strelicom.

Proračuni i eksperiment pokazuju da je vjerovatnoća prijelaza mnogo veća od vjerovatnoće prijelaza. Osim toga, prelazak iz metastabilnog stanja sa energijom u osnovno stanje zabranjen je pravilima selekcije (pravila selekcije nisu apsolutno stroga, ona samo ukazuju na veću ili manju vjerovatnoću prijelaza).

Stoga je životni vijek na metastabilnom nivou sto hiljada puta veći od vijeka života na nivou.

Dakle, kod dovoljno velikog broja atoma hroma može doći do inverzne populacije nivoa - broj atoma na nivou će premašiti broj atoma na nivou, tj. možemo dobiti ono što želimo.

Spontani prelaz sa nivoa na glavni nivo je označen strelicom. Foton koji nastaje tokom ovog prelaza može izazvati stimulisanu emisiju sledećeg fotona, što je označeno strelicom. Ovaj je drugi itd. One. formira se kaskada fotona.

Razmotrimo sada tehničku strukturu rubin lasera.

To je štap prečnika reda i dužine . Krajevi štapa su strogo paralelni jedan s drugim i pažljivo polirani. Jedan kraj je idealno ogledalo, drugi je prozirno ogledalo koje prenosi energiju upada.

Nekoliko zavoja lampe za pumpanje - ksenonske lampe koja radi u pulsnom režimu - postavljeno je oko rubinske šipke.

Dakle, u tijelu štapa su nastali stimulirani fotoni. Ti fotoni, čiji pravac širenja čini male uglove sa osom štapa, više puta će proći kroz štap i izazvati stimulisanu emisiju metastabilnih atoma hroma. Sekundarni fotoni će imati isti smjer kao i primarni, tj. duž ose štapa. Fotoni iz drugog smjera neće razviti značajnu kaskadu i napustit će igru. Ako je intenzitet zraka dovoljan, dio izlazi van.

Rubin laseri rade u impulsnom režimu sa stopom ponavljanja od nekoliko impulsa u minuti. Osim toga, unutar njih se oslobađa velika količina topline, pa ih je potrebno intenzivno hladiti.

Razmotrimo sada rad gasnog lasera, posebno helijum-neonskog lasera.

Sastoji se od kvarcne cijevi koja sadrži mješavinu plinova helijuma i neona. Helijum je pod pritiskom, a neon je pod pritiskom, sa otprilike 10 puta više atoma helijuma nego atoma neona. Glavni emitivni atomi ovdje su atomi neona, a atomi helija igraju pomoćnu ulogu u stvaranju inverzne populacije atoma neona.

Pumpanje energije u ovom laseru se izvodi pomoću energije usijanog pražnjenja. U ovom slučaju, atomi helijuma se pobuđuju i prelaze u pobuđeno stanje (vidi sliku 5). Ovo stanje za atome helijuma je metastabilno, tj. obrnuti optički prijelaz je zabranjen pravilima odabira. Stoga atomi helijuma mogu prijeći u nepobuđeno stanje, prenoseći energiju na atome neona tokom sudara. Kao rezultat, atomi neona ulaze u pobuđeno stanje, koje je blisko stanju za helijum. Atomi neona se pobuđuju i energijom usijanog pražnjenja i sudarima s atomima helijuma.

Osim toga, nivo se rasterećuje odabirom dimenzija cijevi kako bi atomi neona, koji su na nivou, prenijeli energiju na njih prilikom sudara sa zidovima, prelazeći na glavni nivo.

Kao rezultat ovih procesa, populacija nivoa za neon je invertirana. Moguće je prelazak sa nivoa na nivo.

Glavni strukturni element ovog lasera je kvarcna cijev za pražnjenje u plinu prečnika oko . Sadrži elektrode za stvaranje električnog pražnjenja. Na krajevima cijevi nalaze se ravno paralelna ogledala, od kojih je jedno, prednje, prozirno. Uslovi za pojačanje nastaju samo za one fotone koji se emituju paralelno sa laserskom osom.

Radna frekvencija lasera je prijelaz. Pravila odabira dozvoljavaju tridesetak prijelaza. Da bi se istakla jedna frekvencija, ogledala se prave višeslojna, podešena da reflektuju samo jedan određeni talas. Laseri koji emituju talase talasne dužine od . Ali najintenzivniji prelaz je sa talasnom dužinom, tj. u infracrvenom području spektra.

Plinski laseri rade u kontinuiranom režimu i ne zahtijevaju intenzivno hlađenje.

Prepoznatljive karakteristike laserskog zračenja su:

1. Vremenska i prostorna koherentnost.

2. Stroga monokromatizam.

3. Velika snaga

4. Uskost laserskog snopa.

Predavanje 15. (2 sata)

Predavanje 1 2 .

Priroda svetlosti. Spontana i stimulirana emisija. Inverzija populacije energetskih nivoa. Princip rada lasera.

1. Atomi mogu biti u stacionarnim stanjima sa diskretnim vrijednostima energije proizvoljno dugo bez emitiranja energije.

1.1. Prijelaz iz jednog stacionarnog stanja u drugo stacionarno stanje je praćen apsorpcijom ili emisijom kvanta elektromagnetnog zračenja.

1.2. Kada se apsorbuje kvant elektromagnetnog zračenja, elektron prelazi na nivo sa višom vrijednošću energije, a sam atom prelazi u pobuđeno stanje veće energije, u kojem može ostati samo 10-8 s.

1.2.1. Budući da je za prijelaz na viši energetski nivo potrebna strogo određena energetska vrijednost, kada su atomi pobuđeni kvantima elektromagnetnog zračenja, apsorbiraju se samo oni kvanti čija je energija jednaka razlici između energija početnog i konačnog stanja.

1.2.2. Ako je tvar pobuđena zračenjem s kontinuiranim spektrom, tada će se apsorbirati samo oni kvanti čije energije odgovaraju energijama prijelaza elektrona na više energetske razine. Kao rezultat prolaska takvog zračenja kroz materiju, u spektru ovog zračenja pojavljuju se tamne linije koje se nazivaju apsorpcioni spektar .

1.3. Prijelaz atoma u osnovno stanje može se dogoditi ili direktno ili kroz uzastopno kretanje elektrona do nivoa sa nižom energijom.

1.4. Prelazak elektrona na nivo sa nižom energijom praćen je emisijom kvanta elektromagnetnog zračenja čija je energija jednaka razlici između energija nivoa početnog i konačnog stanja.

1.5. Pošto može biti dosta pobuđenih stanja, emitovani kvanti imaju različite energije, a samim tim i različite talasne dužine.

1.6. Pošto pobuđena stanja imaju diskretne energetske vrednosti, skup emitovanih kvanta formira linijski spektar.

1.6.1. Oblik tranzicije elektrona sa visokoenergetskih nivoa na jedan određeni nivo serija linija u spektru, čiji su parametri karakteristični za dati element i razlikuju se od parametara slične serije drugog elementa.

1.6.2. Ukupnost serija čini spektar karakteristično zračenje supstance, što je nedvosmislena karakteristika ove supstance.

1.6.3. Metode za spektralnu analizu kreirane su na osnovu mjerenja parametara karakterističnog spektra.

2. Emisija kvanta od strane pobuđenog atoma u odsustvu spoljašnjeg uticaja obično se dešava spontano, a nastalo zračenje se naziva spontana emisija .

2.1. Sa spontanom emisijom, svaki kvant se pojavljuje nasumično i ima svoju fazu oscilovanja i stoga spontana emisija nema vremensku koherentnost .

2.2. Prema kvantnoj teoriji, vjerovatnoća pν pronalaženje atoma u stanju sa energijom εν pridržava se Boltzmannove raspodjele

koji omogućava, za datu vrijednost energije koja se dovodi do atoma, da se odredi sposobnost elektrona da zauzme jedan ili drugi energetski nivo.

2.3. Broj elektrona koji su istovremeno prisutni na energetskom nivou naziva se nivo populacije .

2.4. U odsustvu spoljašnjih uticaja, ravnotežna populacija nivoa na datoj temperaturi održava se spontanom emisijom kvanta.

3. Vrsta spektra spontane emisije zavisi od stanja atoma koji emituje ovaj spektar.

3.1. Izolovani atomi emituju zračenje sa atomski spektra .

3.1.1. Sastav atomskog spektra za atom vodika i ione slične vodiku može se lako izračunati korištenjem Balmer-Rydbergove formule.

3.1.2. Za druge atome i ione, izračunavanje atomskih spektra je složeniji zadatak.

3.2. Ako atomi formiraju molekulu, onda molekularni spektar (prugasta domet ). Svaki pojas u ovom spektru je kolekcija blisko raspoređenih spektralnih linija.

3.2.1. Kao iu atomskim spektrima, svaka linija u molekularnom spektru je rezultat promjene energije molekula.

3.2.2. Energija molekula se može predstaviti kao

gdje je energija translacijskog kretanja molekula; – energija rotacionog kretanja molekula; – energija vibracionog kretanja atoma molekula jedan u odnosu na drugi; – energija elektronske ljuske molekula; – intranuklearna energija molekula.

3.2.3. Energija translacionog kretanja molekula nije kvantizirana i njene promjene ne mogu dovesti do pojave molekularnog spektra, a učinak na molekularni spektar se može zanemariti kao prva aproksimacija.

3.2.4. Prema Borovom pravilu frekvencije

gdje su , , promjene u odgovarajućim dijelovima energije molekula.

3.2.5. Do stvaranja pruga dolazi zbog činjenice da

3.2.6. Molekularni spektri imaju prilično složen izgled.

3.2.6.1. Spektar uzrokovan samo prijelazom s jednog rotacijskog nivoa na drugi rotacijski nivo ( rotacioni spektar ), koji se nalazi u dalekom infracrvenom području (talasna dužina 0,1 ¸ 1 mm).

3.2.6.2. Spektar uzrokovan samo prijelazom s jednog vibracionog nivoa na drugi vibracijski nivo ( vibracioni spektar ), nalazi se u infracrvenom području (talasna dužina 1 ¸ 10 µm).

3.2.6.3. Spektar uzrokovan samo prijelazom s jednog elektronskog nivoa na drugi elektronski nivo ( atomski spektar ), koji se nalazi u vidljivom, ultraljubičastom i rendgenskom području spektra (talasna dužina 0,8 µm ¸ 10-10 m).

3.2.6.4. Kada se energija vibracionog kretanja molekula promeni, može se promeniti i energija rotacionog kretanja. U ovom slučaju, postoji vibraciono-rotacioni spektar , koji je vibracijski spektar, čija je svaka linija praćena blisko raspoređenim linijama rotacijskih prijelaza.

3.2.6.5. Prijelazi između elektronskih nivoa molekula često su praćeni prijelazima između vibracionih nivoa. Rezultat je spektar tzv elektronski vibracioni , a pošto su vibracijski prelazi praćeni rotacionim prelazima, nivoi vibracija u elektronsko-vibracionom spektru su predstavljeni kao zamućene trake.

3.3. Ramansko rasipanje ( samostalno učenje).

4. Prijelaz atoma iz više pobuđenog stanja u manje pobuđeno stanje pod utjecajem vanjskog kvanta elektromagnetnog zračenja naziva se stimulisana emisija .

4.1. Vjerovatnoća stimulirane emisije ovisi o energiji kvanta koji djeluje na pobuđene atome. Maksimalna verovatnoća pojave stimulisane emisije biće kada je energija ekscitnog kvanta jednaka energiji tranzicije.

4.2. Kada kvant prođe kroz sistem pobuđenih atoma, pojavljuje se tok kvanta čija je energija jednaka energiji uzbudljivog kvanta ( efekat optičkog pojačanja ).

4.3. Apsorpcija svjetlosti u supstanciji odvija se u skladu s Bouguer-Lambertovim zakonom

gdje je prirodna stopa apsorpcije, i X– debljina upijajućeg sloja.

Povećanje protoka kvanta pri prolasku kroz materiju je slično negativan koeficijent apsorpcije (negativna apsorpcija svjetlosti ).

4.4. Za medij s negativnim koeficijentom apsorpcije vrijedi Bouguer-Lambert-Fabricantov zakon

Intenzitet svjetlosti naglo raste sa povećanjem debljine sloja.

4.5. Medij sa negativnim koeficijentom apsorpcije naziva se aktivni medij .

5. Moguća su tri tipa prelaza između dva nivoa energije

prelazak elektrona u stanje više energije nakon apsorpcije kvanta (1); spontani prelazak elektrona u niže energetsko stanje (2); prisilni prijelaz elektrona u stanje niže energije (3).

5.1. Broj elektrona u pobuđenim nivoima podliježe Boltzmannovoj raspodjeli i naziva se nivo populacije .

5.2. Uz uobičajenu shemu zračenja, stanovništvo N viši nivo energije je manji od populacije nižeg energetskog nivoa.

5.3. Broj događaja kvantne apsorpcije je proporcionalan populaciji N 1 manje visokoenergetski nivo, a broj emisija je proporcionalan broju stanovnika N 2 viša nivoa energije.

5.4. Prirodna stopa apsorpcije u Bouguer-Lambertovom zakonu proporcionalna je razlici između broja apsorpcijskih i emisijskih događaja

Gdje k– koeficijent proporcionalnosti.

5.5. U konvencionalnoj shemi zračenja, Boltzmannova raspodjela elektrona je posljedica spontanih prijelaza ().

5.6. Zbog intenzivne ekscitacije sistema atoma ( pumpanje ) moguće je postići takvo kršenje Boltzmannove raspodjele da N 2 će biti više N 1 (inverzna populacija ). Tada prirodna stopa apsorpcije postaje manja od nule i dobijamo Bouguer-Lambert-Fabricant zakon.

6. Pojava stimulisane emisije se ostvaruje u laseri .

6.1. U početku, da bi se dobila stimulirana emisija, korištena je trostepena shema u rubinu, čija kristalna rešetka sadrži primjesu Cr, stvarajući uski dvostruki dodatni nivo IN u zoni pobuđenih stanja.

6.1.1. Kada je atomski sistem pobuđen svjetlom ksenonske lampe ( optičko pumpanje ) veliki broj elektrona pri apsorpciji kvanta (1) se prenosi sa nivoa tla A do uzbuđenih nivoa C I D .

6.1.2. Elektroni sa ovih nivoa, kroz spontane prelaze (2) bez zračenja, naseljavaju niži energetski nivo IN , stvarajući na njemu inverznu populaciju. Energija prijelaza se prenosi na kristalnu rešetku i povećava temperaturu tvari.

6.1.3. Prelazi sa inverznog nivoa B na glavni nivo A izvode se pod uticajem kvanta sa energijom koja odgovara energetskoj razlici između inverznog nivoa i glavnog nivoa.

6.2. Lasersko hardversko kolo je štap A od aktivne supstance, ograničen na krajevima sa dva ogledala - neprozirna IN i proziran WITH.

6.2.1. Nakon pumpanja aktivne tvari, prvi prijelaz sa inverznog nivoa na nivo tla dovodi do stvaranja kvanta, koji pokreće proces laserskog zračenja.

6.2.2. Širenje kvanta u aktivnom mediju dovodi do iniciranja prisilnih prijelaza. U skladu sa Bouguer-Lambert-Fabricantovim zakonom, kvanti koji se šire duž štapa imaju najveću efikasnost.

6.2.3. Kada se reflektira od prozirnog ogledala, dio fluksa kvanta, a to je lasersko zračenje, napušta aktivni medij. Ostatak toka kvanta vraća se u aktivni medij kako bi inicirao prisilne prijelaze.

6.2.4. Blago odstupanje smjera prostiranja kvanta od kristalne ose eliminira se korištenjem zakrivljene površine reflektirajućih ogledala IN I WITH.

6.2.5. Efekat kvantnog pojačanja značajno se povećava kada inicirani kvanti više puta prolaze kroz aktivni medij.

6.2.6. Inverzni nivo hroma se sastoji od dva podnivoa i stoga se zračenje rubin lasera sastoji od kvanta sa dve talasne dužine (0,6927 nm i 0,6943 nm).

7. Trenutno se kao aktivni mediji u laserima koriste sljedeće:

čvrste tvari (rubin; neodimijum aktivirani itrijum aluminijski granat; neodimijum aktivirano staklo); gasovi i mešavine gasova (N2; CO; CO2; metalne pare); tekućine (otopine organskih boja); poluprovodnici.

7.1. Lasersko zračenje u čvrstim materijama nastaje tokom prelaza između energetskih nivoa atoma nečistoća. Talasna dužina unutar 0,35¸1,06 mikrona pri snazi do 1 kW.

7.2. Lasersko zračenje u gasovima najčešće se javlja prilikom elektronsko-vibracionih prelaza između različitih elektronskih stanja (N2 laser, eksimer laseri) ili pri vibraciono-rotacionim prelazima unutar jednog elektronskog stanja (CO2-, CO-laseri). Talasna dužina unutar 5¸11 mikrona sa snagom do 15 kW.

7.3. Lasersko zračenje u tečnostima tokom elektronskih prelaza između energetskih nivoa boja. Talasna dužina unutar 0,2¸5 mikrona pri snazi do 1,5 W. Moguće je glatko podešavanje talasne dužine.

7.4. Inverzija populacije u poluvodičkim laserima je stvorena prijelazima između stanja u valentnim pojasevima poluvodičkog kristala, a ne između diskretnih nivoa. Talasna dužina unutar 0,75¸30 mikrona pri snazi do 0,5 W.

8. Glavne karakteristike laserskog zračenja su:

Prostorna i vremenska koherentnost zračenja

Dobro monohromatsko zračenje

Divergencija niskog snopa

0,5¸10 mrad za gasne lasere;

0,2¸5 mrad za solid-state lasere.

Velika gustina snage

Ako je sistem u stanju termodinamičke ravnoteže sa spoljašnjim okruženjem, onda je verovatnoća da je bilo koji atom na energetskom nivou karakterisan faktorima ili Ako je ukupan broj atoma koji čine sistem, onda broj atoma koji naseljavaju energetske nivoe , odnosno populacija ovih nivoa, jednaka je

Ovdje su statističke težine ovih nivoa (stepeni degeneracije), tj. broj različitih stanja ili skupova kvantnih brojeva za dati nivo energije.

Prema tome, odnos populacija ovih energetskih nivoa je određen izrazom

U slučaju nedegenerisanih stanja, tj. kada imamo

Ako će tada, u termodinamičkoj ravnoteži, populacija i temperatura, izraženi kroz omjer populacija nivoa, biti jednaki

Prema drugom zakonu termodinamike, sistem uvijek teži ravnoteži, a ako bilo kakav vanjski utjecaj dovodi do

to iz stanja termodinamičke ravnoteže (na primjer, stanje atoma aktivatora u rubinu nakon optičkog pumpanja), tada će sistem, preraspodjelom energije, sam prijeći u novu termodinamičku ravnotežu. Obično se takvi procesi koji vraćaju sistem u stanje ravnoteže nazivaju procesi relaksacije. Analizirajmo izraz temperature sistema kroz populacije energetskih nivoa.

1. ako su, tj. svi atomi u suštini u stabilnom stanju.

2. ako populacija tj. niski energetski nivoi imaju veću populaciju od visokih. Ova stanja sistema približavaju se stanju ravnoteže.

3. Ako smo, kao rezultat spoljnog uticaja, uspeli da preraspodelimo čestice u sistemu tako da populacija visokih energetskih nivoa postane veća od onih niskih, tj. onda je lako proveriti da ovo stanje odgovara negativna vrijednost temperature Ovo stanje sistema se naziva stanje sa invertiranom populacijom. Međutim, treba uzeti u obzir da se kod invertirane populacije Boltzmannova raspodjela ne primjenjuje, pa se određivanje negativne temperature može smatrati samo određivanjem neravnotežnog stanja.

Podijeli: