Inverzija stanovništva. Inverzna naseljenost Tvar s inverznom naseljenošću naziva se

Prolaz zračenja kroz materiju. Inverzna populacija razina. Razmotrimo opet dvorazinski medij s energetskim razinama I . Ako na ovo sredstvo padne monokromatsko zračenje s frekvencijom

onda kad se širi na daljinu dx promjena spektralne gustoće energije bit će povezana i s rezonantnom apsorpcijom i s induciranom (stimuliranom) emisijom atoma sustava. Zbog stimulirane emisije, spektralna gustoća energije povećava se u snopu, a to povećanje energije mora biti proporcionalno:

.

Ovdje je dimenzionalni koeficijent proporcionalnosti.

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

.

preklapanje I , nalazimo potpunu promjenu gustoća energije:

S obzirom na jednakost Einsteinovih koeficijenata te unos koeficijenta apsorpcije a, zapisujemo ovu jednadžbu u obliku

Rješenje ove diferencijalne jednadžbe ima oblik

.

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

U uvjetima termodinamičke ravnoteže, u skladu s Boltzmannovom distribucijom, , stoga je koeficijent apsorpcije a pozitivan () :

Dakle, gustoća energije zračenja, kao što je vidljivo iz (6.18), opada prolaskom kroz tvar, odnosno svjetlost se apsorbira. Međutim, ako stvorite sustav u kojem , tada će koeficijent apsorpcije postati negativan i neće doći do slabljenja, već sve veći intenzitet Sveta. Stanje okoline u kojoj se zove stanje s inverznom naseljenošću razina, a sama okolina se tada naziva aktivni medij. Inverzna naseljenost razina proturječi Boltzmannovoj distribuciji ravnoteže i može se stvoriti umjetno ako se sustav izvede iz stanja termodinamičke ravnoteže.

To stvara temeljnu mogućnost pojačanja i generiranja koherentnog optičkog zračenja i koristi se u praksi pri razvoju izvora takvog zračenja - lasera.

Princip rada lasera. Stvaranje lasera postalo je moguće nakon što su pronađene metode za invertiranje populacije razina u nekim tvarima (aktivnim medijima). Prvi praktični generator u vidljivom području spektra stvoren je u (SAD od strane Maymana (1960.)) na bazi rubina. Rubin je kristalna rešetka koja sadrži mali ( 0,03 % – 0,05 % ) primjesa iona kroma (). Na sl. 6.1 prikazuje dijagram energetskih razina kroma ( troslojno okruženje). Široka razina koristi se za pobuđivanje iona kroma svjetlom iz snažne svjetiljke s izbojem u plinu sa širokim frekvencijskim pojasom u zeleno-plavom području vidljive svjetlosti - lampe pumpe. Ekscitacija iona kroma zbog energije pumpe iz vanjskog izvora prikazana je strelicom .


Riža. 6.1. Dijagram aktivnog okruženja na tri razine (ruby)

Elektroni s kratkotrajne razine čine brzi ( c) neradijacijski prijelaz na razinu (prikazano plavom strelicom) . Energija koja se oslobađa u ovom slučaju ne emitira se 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 reda veličine više od razine širokopojasne mreže . S dovoljnom snagom pumpe, broj elektrona na razini (tzv metastabilan) postaje više od razine , odnosno stvara se inverzna populacija između "radnih" razina i .

Foton emitiran tijekom spontanog prijelaza između ovih razina (prikazano isprekidanom strelicom) inducira emisiju dodatnih (stimuliranih) fotona - (prijelaz je prikazan strelicom), što opet uzrokuje induciran emisija cijele kaskade fotona s valnom duljinom .

Primjer 1. Odredimo relativnu naseljenost radnih razina u kristalu rubina na sobnoj temperaturi u uvjetima termodinamičke ravnoteže.

Na temelju valne duljine koju emitira rubinski laser, nalazimo razliku energije:

.

Na sobnoj temperaturi T = 300 K imamo:

Iz Boltzmannove distribucije sada slijedi

.

Implementacija aktivnog medija s obrnutom populacijom razina samo je pola bitke. Za rad lasera također je potrebno stvoriti uvjete za generiranje svjetlosti, odnosno korištenje Pozitivna ocjena. Sam aktivni medij sposoban je samo pojačati preneseno zračenje. Za implementaciju laserskog moda potrebno je stimulirano zračenje pojačati na način da se kompenziraju svi gubici u sustavu. Da biste to učinili, aktivna tvar se stavlja u optički rezonator, formirana, u pravilu, od dva paralelna zrcala, od kojih je jedno prozirno i služi za izlaz zračenja iz rezonatora. Strukturno, prvi rubinski laseri koristili su cilindrične kristale s duljinom 40 mm i promjer 5 mm. Rubovi su bili polirani paralelno jedan s drugim i služili su kao zrcala rezonatora. Jedan kraj je bio posrebren tako da je koeficijent refleksije bio blizak jedinici, a drugi je kraj bio proziran, odnosno imao je koeficijent refleksije manji od jedinice i služio je za izlaz zračenja iz rezonatora. Izvor pobude bila je snažna pulsirajuća ksenonska svjetiljka koja spiralno omotava rubin. Uređaj rubin lasera shematski je prikazan na Sl. 6.2.


Riža. 6.2. Uređaj s rubin laserom: 1- rubinska šipka; 2- pulsirajuća svjetiljka s izbojem plina; 3- prozirno ogledalo; 4- ogledalo; 5- stimulirana emisija

S dovoljnom snagom lampe pumpe, većina (oko polovica) iona kroma prelazi u pobuđeno stanje. Nakon što se postigne inverzija naseljenosti za radne razine s energijom I , prvi spontano emitirani fotoni koji odgovaraju prijelazu između ovih razina nemaju željeni smjer širenja i uzrokuju stimuliranu emisiju, koja se također širi u svim smjerovima u kristalu rubina. Podsjetimo se da fotoni proizvedeni stimuliranom emisijom lete u istom smjeru kao i upadni fotoni. Fotoni, čiji smjerovi gibanja tvore male kutove s osi kristalnog štapića, doživljavaju višestruke refleksije od njegovih krajeva. Fotoni koji se šire u drugim smjerovima izlaze iz kristala rubina kroz njegovu bočnu površinu i ne sudjeluju u formiranju odlaznog zračenja. Tako se stvara u rezonatoru uska punđa svjetlosti, a ponavljani prolasci fotona kroz aktivni medij izazivaju emisiju sve više fotona, povećavajući intenzitet izlazne zrake.

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

Riža. 6.3. Generiranje zračenja iz rubin lasera

Dakle, optički rezonator obavlja dvije funkcije: prvo, stvara pozitivnu povratnu spregu i, drugo, formira uski usmjereni snop zračenja s određenom prostornom strukturom.

U razmatranoj trorazinskoj shemi, da bi se stvorila inverzija naseljenosti između radnih razina, potrebno je pobuditi dovoljno veliki udio atoma, što zahtijeva značajan utrošak energije. Učinkovitiji je shema od četiri razine, koji se koristi u laserima čvrstog stanja, na primjer pomoću iona neodimija. U najčešćem plinskom laseru na neutralnim atomima - helij- neonski laser - ispunjeni su i uvjeti za proizvodnju po četverorazinskoj shemi. Aktivni medij u takvom laseru je mješavina inertnih plinova - helija i neona s energijom osnovnog stanja (što smatramo nultom razinom). Pumpanje se provodi u procesu električnog plinskog pražnjenja, zbog čega atomi prelaze u pobuđeno stanje s energijom . Razina u atomima neona (sl. 6.4) blizu je razine u heliju, a kada se atomi helija sudare s atomima neona, energija pobude može se učinkovito prenijeti na potonje bez zračenja.

Riža. 6.4. Dijagram razine Ne- ne-laser

Dakle, razina ispada da je neon naseljeniji od niže razine . Prijelaz između ovih radnih razina prati zračenje valne duljine 632,8 nm, što je osnovno u industrijskoj Ne-Ne- laseri. Na razini atomi neona ne ostaju dugo, brzo se vraćaju u osnovno stanje. Imajte na umu da razina neon je naseljen izuzetno beznačajno, i stoga stvara inverznu naseljenost između I potrebno je pobuditi mali broj atoma helija. Ovo zahtijeva mnogo manje energije za pumpanje i hlađenje instalacije, što je tipično za shemu proizvodnje s četiri razine. Za lasersko laseriranje mogu se koristiti druge razine neona (nije prikazano na slici 6.4), proizvodeći zračenje u vidljivom i IR rasponu, s helijem koji se koristi samo za proces pumpanja.

Primjer 2. Nađimo relativnu ravnotežnu naseljenost razine u neonu na sobnoj temperaturi.

Ovaj problem se od prethodnog razlikuje samo po numeričkim vrijednostima. Radi raznolikosti, napravimo izračune u elektronvoltima. Izrazimo najprije Boltzmannovu konstantu u ovim jedinicama:

dakle na sobnoj temperaturi

.

Sada možemo lako pronaći

S praktičnog gledišta, tako mali broj ne razlikuje se od nule, stoga, čak i uz slabo pumpanje, stvara se inverzna populacija između razina I .

Lasersko zračenje ima karakteristične karakteristike:

    visoka vremenska i prostorna koherencija (monokromatsko zračenje i divergencija niske zrake);

    visoki spektralni intenzitet.

Karakteristike zračenja ovise o vrsti lasera i načinu rada, međutim, mogu se uočiti neki parametri bliski graničnim vrijednostima:

Kratki (pikosekundni) laserski impulsi nezamjenjivi su pri proučavanju brzih procesa. U impulsu se može razviti izuzetno velika vršna snaga (do nekoliko GW), što je jednako snazi ​​nekoliko blokova nuklearne elektrane od po milijun kW. U ovom slučaju, zračenje se može koncentrirati u uskom konusu. Takve zrake omogućuju, na primjer, "zavarivanje" mrežnice na dno oka.

Vrste lasera. U okviru općeg kolegija fizike ne možemo se detaljnije zadržavati na specifičnostima i tehničkoj primjeni različitih vrsta lasera zbog njihove iznimne raznolikosti. Ograničit ćemo se samo na prilično kratak pregled tipova lasera koji se razlikuju po karakteristikama aktivnog medija i metodama pumpanja.

Solid state laseri. Obično su pulsirajući; prvi takav laser bio je gore opisani rubinski laser. Popularni su stakleni laseri s neodimijem kao radnom tvari. Oni stvaraju svjetlost valne duljine reda veličine 1,06 µm, velike su veličine i imaju vršnu snagu do TW. Može se koristiti za pokuse kontrolirane termonuklearne fuzije. Primjer je ogromni Shiva laser u laboratoriju Livermore u SAD-u.

Vrlo česti laseri su itrij aluminijski granat s neodimijem (Nd:YAG), koji emitiraju u infracrvenom području na valnoj duljini µm. Mogu raditi iu kontinuiranom generiranju iu pulsirajućem načinu rada, s brzinom ponavljanja impulsa do nekoliko kHz (za usporedbu: rubin laser ima 1 impuls svakih nekoliko minuta). Imaju široku primjenu u elektroničkoj tehnologiji (laserska tehnologija), optičkom mjerenju udaljenosti, medicini itd.

Plinski laseri. To su obično kontinuirani laseri. Odlikuju se pravilnom prostornom strukturom grede. Primjer: Helij-neonski laser koji generira svjetlost valnih duljina 0,63 , 1,15 I 3,39 µm i ima snagu reda veličine mW. Široko korišten u tehnologiji - laser snage reda kW i valnih duljina 9,6 I 10,6 µm. Jedan od načina za pumpanje plinskih lasera je kroz električno pražnjenje. Različiti laseri s aktivnim plinovitim medijem su kemijski i excimer laseri.

Kemijski laseri. Inverzija naseljenosti nastaje kemijskom reakcijom između dvaju plinova, poput vodika (deuterija) i fluora. Na temelju egzotermnih reakcija

.

Molekule HF već se rađaju s pobuđivanjem oscilacija, što odmah stvara inverznu populaciju. Dobivena radna smjesa nadzvučnom brzinom prolazi kroz optički rezonator, u kojem se dio akumulirane energije oslobađa u obliku elektromagnetskog zračenja. Pomoću sustava rezonatorskih zrcala to se zračenje fokusira u uski snop. Takvi laseri emitiraju veliku energiju (više 2 kJ), trajanje pulsa cca. 30 ns, snaga do W. Učinkovitost (kemijska) doseže 10 % , dok je obično za druge vrste lasera - frakcije postotka. Generirana valna duljina - 2,8 µm(3,8 µm za uključivanje lasera DF).

Od brojnih tipova kemijskih lasera, laseri s vodikovim fluoridom (deuterijem) prepoznati su kao najperspektivniji. Problemi: zračenje vodikovih fluoridnih lasera određene valne duljine aktivno se raspršuje molekulama vode koje su uvijek prisutne u atmosferi. To uvelike smanjuje svjetlinu zračenja. Deuterijev fluoridni laser radi na valnoj duljini za koju je atmosfera gotovo prozirna. Međutim, specifično oslobađanje energije takvih lasera je jedan i pol puta manje od lasera koji se temelje na HF. To znači da će se pri njihovoj uporabi u svemiru morati ukloniti puno veće količine kemijskog goriva.

Excimer laseri. Excimer molekule su dvoatomne molekule (na primjer), koje mogu biti samo u pobuđenom stanju - njihovo nepobuđeno stanje ispada nestabilno. S time je povezana glavna značajka excimer lasera: osnovno stanje molekula excimera je nepopunjeno, odnosno donja radna laserska razina uvijek je prazna. Pumpanje se provodi pulsirajućim elektronskim snopom, koji znatan dio atoma dovodi u pobuđeno stanje, u kojem se spajaju u molekule ekscimera.

Budući da je prijelaz između radnih razina širokopojasan, moguće je podešavanje frekvencije generiranja. Laser ne proizvodi podesivo zračenje u UV području ( nm) i ima visoku učinkovitost ( 20 % ) pretvorba energije. Trenutno, excimer laseri s valnom duljinom 193 nm koristi se u oftalmološkoj kirurgiji za površinsko isparavanje (ablaciju) rožnice.

Tekući laseri. Aktivna tvar u tekućem stanju je homogena i omogućuje cirkulaciju radi hlađenja, što stvara prednosti u odnosu na solid-state lasere. To vam omogućuje da dobijete visoke energije i snage u pulsirajućem i kontinuiranom načinu rada. Prvi tekući laseri (1964. – 1965.) koristili su spojeve rijetkih zemalja. Zamijenjeni su laserima s otopinama organskih boja.

Takvi laseri obično koriste optičko pumpanje zračenja drugih lasera u vidljivom ili UV području. Zanimljivo svojstvo lasera na boju je mogućnost ugađanja frekvencije generiranja. Odabirom boje, laser se može postići na bilo kojoj valnoj duljini od blizu IR do blizu UV područja. To je zbog širokih kontinuiranih vibracijsko-rotacijskih spektara tekućih molekula.

Poluvodički laseri. Solid-state laseri temeljeni na poluvodičkim materijalima svrstani su u zasebnu klasu. Pumpanje se provodi bombardiranjem elektronskim snopom, snažnim laserskim zračenjem, ali češće elektroničkim metodama. Poluvodički laseri koriste prijelaze ne između diskretnih energetskih razina pojedinačnih atoma ili molekula, već između dopuštenih energetskih vrpci, to jest skupova blisko razmaknutih razina (energetske vrpce u kristalima detaljnije se raspravljaju u sljedećim odjeljcima). Korištenje različitih poluvodičkih materijala omogućuje dobivanje zračenja na valnim duljinama od 0,7 prije 1,6 µm. Dimenzije aktivnog elementa su izuzetno male: duljina rezonatora može biti manja od 1 mm.

Tipična snaga je reda veličine nekoliko kW, trajanje impulsa je oko 3 ns, učinkovitost doseže 50 % , imaju široku primjenu (optika, komunikacije). Može se koristiti za projiciranje televizijskih slika na veliki ekran.

Laseri slobodnih elektrona. Snop elektrona visoke energije prolazi kroz "magnetski češalj" - prostorno periodično magnetsko polje koje tjera elektrone da osciliraju na danoj frekvenciji. Odgovarajući uređaj - ondulator - niz je magneta koji se nalaze između sekcija akceleratora, tako da se relativistički elektroni kreću duž osi ondulatora i osciliraju poprečno na nju, emitirajući primarni ("spontani") elektromagnetski val. U otvorenom rezonatoru, u koji tada ulaze elektroni, spontani elektromagnetski val se pojačava stvarajući koherentno usmjereno lasersko zračenje. Glavna značajka lasera sa slobodnim elektronima je mogućnost glatke prilagodbe frekvencije generiranja (od vidljivog do IR raspona) promjenom kinetičke energije elektrona. Učinkovitost takvih lasera je 1 % pri prosječnoj snazi ​​do 4 W. Korištenjem uređaja za vraćanje elektrona u rezonator, učinkovitost se može povećati na 20–40 % .

rendgenski laser S nuklearno pumpanje. Ovo je najegzotičniji laser. Shematski, predstavlja nuklearnu bojevu glavu, na čijoj je površini pričvršćeno do 50 metalnih šipki, usmjerenih u različitim smjerovima. Šipke imaju dva stupnja slobode i, kao i puščane cijevi, mogu se usmjeriti u bilo koju točku u prostoru. Uzduž osi svake šipke nalazi se tanka žica od materijala visoke gustoće (reda gustoće zlata) - aktivnog medija. Izvor energije laserskog pumpanja je nuklearna eksplozija. Tijekom eksplozije aktivna tvar prelazi u stanje plazme. Kako se plazma trenutačno hladi, emitira koherentno zračenje u mekom rasponu rendgenskih zraka. Zbog visoke koncentracije energije, zračenje koje pogađa metu dovodi do eksplozivnog isparavanja tvari, stvaranja udarnog vala i uništenja mete.

Dakle, princip rada i dizajn rendgenskog lasera čine opseg njegove primjene očiglednim. Opisani laser nema kavitetna zrcala čija uporaba u rendgenskom području nije moguća.

Neke vrste lasera prikazane su na donjoj slici.

Neke vrste lasera: 1- laboratorijski laser; 2- neprekidno uključenje lasera;
3 - tehnološki laser za bušenje rupa; 4- snažan tehnološki laser

Razmotrimo dvorazinski sustav s atomskom gustoćom na dnu n 1 i vrh n 2 energetske razine.

Vjerojatnost prisilnog prijelaza s prve razine na drugu jednaka je:

Gdje σ 12 – vjerojatnost prijelaza pod utjecajem intenziteta zračenja J.

Tada će broj induciranih prijelaza po jedinici vremena biti

.

Sustav se može pomaknuti s druge razine na dva načina: prisilno i spontano. Spontani prijelazi su nužni kako bi sustav mogao postići stanje termodinamičke ravnoteže nakon prestanka vanjske pobude. Spontani prijelazi mogu se smatrati prijelazima uzrokovanim toplinskim zračenjem medija. Broj spontanih prijelaza po jedinici vremena jednak je , gdje je A 2 – vjerojatnost spontanog prijelaza. Broj prisilnih prijelaza s druge razine je

.

Omjer efektivnih presjeka apsorpcije i emisije jednak je

Gdje g 1 , g 2 višestrukost degeneracije razine.

Jednadžba bilance određena je zbrojem populacija razina, koji mora biti jednak ukupnom broju n 0 čestica u sustavu n 1 +n 2 =n 0 .

Promjene u populacijama tijekom vremena opisane su sljedećim jednadžbama.

Rješenje ovih jednadžbi je sljedeće.

.

Rješenje ovih jednadžbi u stacionarnom slučaju, kada su vremenske derivacije populacija jednake nuli: bit će:

.

Prikazat će se inverzna naseljenost dvorazinskog sustava, odn

.

Iz toga slijedi da je samo kada je višestrukost degeneracije gornje razine veća od mnogostrukosti degeneracije glavne razine, uzimajući u obzir gubitke stanovništva uslijed spontanih prijelaza, moguće stanje s invertiranom naseljenošću. Za nuklearne sustave to je malo vjerojatno. Međutim, to je moguće za poluvodiče, budući da je mnogostrukost degeneracije stanja vodljivog pojasa i valentnog pojasa određena gustoćom stanja.

Inverzna naseljenost trorazinskih sustava

Ako uzmemo u obzir sustav od tri razine s energijama E 1 , E 2 , E 3, i E 1 >E 2 >E 3 i populacije n 1 , n 2 , n 3, tada će jednadžbe za populacije biti.

.

Rješenje ovih jednadžbi s obzirom na inverznu populaciju bez uzimanja u obzir razlike u mnogostrukosti degeneracije razina u stacionarnom slučaju bit će:

U stacionarnom slučaju

.

Uvjet za postojanje inverzne naseljenosti Δ>0 je zadovoljen ako

.

Sustav od tri razine u poluvodičima može se smatrati sustavom u kojem je donja razina valentni pojas, a dvije gornje razine su dva stanja vodljivog pojasa. Tipično, unutar vodljivog pojasa, vjerojatnost neradijacijskih prijelaza mnogo je veća od vjerojatnosti prijelaza zona-zona, dakle A 32 » A 31, stoga će uvjet naseljenosti biti:

Jer

,

gdje je ρ 13 gustoća energije pumpe u prosjeku u apsorpcijskom pojasu aktivnog materijala;

Električna vodljivost u jakim električnim poljima

Nelinearni Ohmov zakon

U jakim električnim poljima povećava se sila koja djeluje na česticu, što dovodi do povećanja brzine čestice. Sve dok je brzina čestice manja od brzine toplinskog gibanja, utjecaj električnog polja na električnu vodljivost je neznatan i Ohmov linearni zakon je zadovoljen. Povećanjem jakosti električnog polja povećava se i brzina driftanja čestice, a ovisnost električne vodljivosti o jakosti električnog polja postaje linearna.

Budući da srednji slobodni put tijekom raspršenja vibracijama kristalne rešetke ne ovisi o energiji, tada će se s povećanjem jakosti električnog polja i brzine drifta smanjiti vrijeme relaksacije i smanjiti pokretljivost. Sila koja djeluje na česticu u električnom polju intenziteta E jednak nju. Ta sila uzrokuje ubrzanje i mijenja toplinsku brzinu čestice v T. Pod utjecajem električnog polja čestica se ubrzava i po jedinici vremena dobiva energiju jednaku radu sila nju:

(7.1) .

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

Izjednačavajući ovaj izraz s formulom (7.1), možemo dobiti jednadžbu za jakost električnog polja i brzinu čestice:

(7.2) , ili . .

Za raspršenje oscilacijama srednji slobodni put je konstantan, tada će brzina ovisi o jakosti električnog polja biti:

Pri čemu će mobilnost ovisiti o jakosti električnog polja na sljedeći način:

Kako se jakost električnog polja povećava, mobilnost se smanjuje.

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

Zinnerov učinak

Zinnerov efekt očituje se u emisiji elektrona u polju zbog tunelskog prijelaza zona-zona. Kada se elektron kreće s jednog mjesta kristalne rešetke na drugo, potrebno je prevladati potencijalnu barijeru koja razdvaja ta dva mjesta. Ova potencijalna barijera određuje zabranjeni pojas. Primjena električnog polja snižava potencijalnu barijeru u smjeru suprotnom od smjera vanjskog električnog polja i povećava vjerojatnost tunelskog prijelaza elektrona iz stanja vezanog na jezgru u vodljivi pojas. Po svojoj prirodi, ovaj prijelaz se događa s elektronima valentnog pojasa i tok elektrona će biti usmjeren od čvora kristalne rešetke do slobodnog stanja vodljivog pojasa. Taj se učinak naziva i Zinnerov slom ili emisija hladnih elektrona. Opaža se u električnim poljima jakosti 10 4 – 10 5 V/cm.

Oštar učinak

Starkov efekt dovodi do pomaka energije atomskih razina i širenja valentnog pojasa. To je analogno smanjenju zabranjenog pojasa i povećanju ravnotežne koncentracije elektrona i šupljina.

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

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

Ovaj učinak snižava potencijalnu barijeru prijelazu elektrona u slobodno stanje za iznos:

(7.7) .

Smanjenje potencijalne barijere dovodi do povećanja vjerojatnosti toplinske pobude za iznos:

(7.8) .

Taj se učinak opaža u električnim poljima jakosti 10 5 – 10 6 V/cm.

Gan učinak

Taj se učinak opaža kod poluvodiča s dva energetska minimuma vodljivog pojasa različite zakrivljenosti, a efektivna masa lokalnog minimuma mora biti veća od efektivne mase osnovnog stanja apsolutnog minimuma. Na jakim razinama ubrizgavanja, elektroni mogu ispuniti osnovna minimalna stanja i pomaknuti se iz osnovnog minimuma u drugi lokalni minimum. Budući da je masa elektrona u lokalnom minimumu velika, driftna pokretljivost prenesenih elektrona bit će manja, što će dovesti do smanjenja električne vodljivosti. Ovo smanjenje uzrokovat će smanjenje struje i smanjenje ubrizgavanja u vodljivi pojas, što će dovesti do taloženja elektrona u glavnom minimumu vodljivog pojasa, vraćanja izvornog stanja i povećanja struje. Kao rezultat toga, dolazi do fluktuacija struje visoke frekvencije.

Ovaj učinak je primijećen u GaAs n tipa kada se dovodi na uzorak duljine 0,025 mm. naponski impuls 16 V u trajanju od 10 8 Hz. Frekvencija osciliranja bila je 10 9 Hz.

Hahnov efekt opaža se u poljima u kojima je brzina drifta usporediva s toplinskom brzinom elektrona.

Ekscitoni u čvrstim tijelima

Priroda ekscitona

Ako je kristal pobuđen elektromagnetskim poljem, tada elektroni iz vodljivog pojasa prelaze u valentni pojas, tvoreći par elektron-šupljina: elektron u vodljivom pojasu i šupljina u valentnom pojasu. Rupa se pojavljuje kao pozitivan naboj, budući da nepostojanje 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 zabranjenog pojasa za iznos privlačne energije između elektrona i šupljine u paru. Ova energija se može napisati na sljedeći način:

Gdje - e– naboj elektrona, Ze- naboj atoma iz kojeg je elektron prešao u vodljivi pojas, r eh– udaljenost između elektrona i šupljine, e-koeficijent koji određuje smanjenje međudjelovanja između elektrona i šupljine u usporedbi s interakcijama točkastih naboja u vakuumu ili dielektrična konstanta mikroskopskog tipa.

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

Dielektričnu konstantu mikroskopskog tipa e određuju dva faktora:

· Međudjelovanje između elektrona i šupljine događa se u kristalnom mediju. Ovo polarizira kristalnu rešetku i sila interakcije između elektrona i šupljine je oslabljena.

· Elektron i šupljina u kristalu ne mogu se prikazati kao točkasti naboji, već kao naboji čije su gustoće “razmazane” u prostoru. Time se smanjuje sila interakcije između elektrona i šupljine. Slična situacija može se uočiti u atomima. Interakcija između elektrona u atomu je 5-7 puta manja od interakcije između elektrona i jezgre, iako udaljenosti između njih mogu biti usporedive. To se događa zbog činjenice da elektroni u orbiti nisu koncentrirani u jednoj točki, već ih karakterizira gustoća distribucije, što smanjuje interakciju između njih. Jezgra atoma može se s dobrim stupnjem točnosti prikazati kao točkasti naboj, pa će međudjelovanje elektrona s jezgrom biti veće od međudjelovanja između elektrona, što osigurava stabilnost postojanja atoma.

Utjecaj ova dva faktora različit je za ekscitone različitih vrsta: Frenkelove ekscitone (mali radijus) i Wannierove ekscitone (veliki radijus).

Energija i radijus ekscitona

Energija vezanja ekscitona ovisi o udaljenosti između elektrona i šupljine. Elektron i šupljina gibaju se u odnosu na središte mase u orbiti s radijusom ekscitona r eh. Za stabilno postojanje ekscitona potrebno je da se u orbiti ekscitona formira stojni val s brojem valova n.. Gdje se može nabaviti omjer:

Gdje R- količina gibanja elektrona i šupljine jedno u odnosu na drugo. Količina gibanja može se izraziti kroz kinetičku energiju T relativnog gibanja elektrona i šupljine: , gdje je m reducirana masa ekscitona.

Reducirana masa ekscitona trebala bi biti sastavljena od efektivnih masa elektrona i šupljine, kao srednja harmonijska vrijednost. Ako je masa šupljine velika, tada kinetička energija ekscitona ili kinetička energija gibanja elektrona u odnosu na šupljinu treba biti određena masom elektrona. Zato

Ako su efektivne mase elektrona i šupljina jednake, tada je smanjena masa ekscitona jednaka ½; ako postoji lokalizirani eksciton, tada m h>>m e a reducirana masa ekscitona jednaka je jedinici.

Za slobodni eksciton Z=1, m¢=1/2, energija ekscitona i radijus su jednaki

(8.7) .

Za lokalizirani eksciton Z=2, m¢=1 energija ekscitona i radijus su jednaki

(8.8) .

Dakle, ispada da je energija slobodnih ekscitonskih razina 8 puta manja od energije lokaliziranog ekscitona, a radijus je 4 puta veći.

Kako bi se proučavalo pojačanje upadne svjetlosti, potrebno je nekako preokrenuti naseljenost razina. Oni. pobrinite se da veća vrijednost energije odgovara većem broju atoma. U ovom slučaju kažu da skup atoma ima inverznu (obrnutu) naseljenost razina.

Omjer broja atoma na razinama i jednak je:

U slučaju inverzije naseljenosti. 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 obrnutom naseljenošću razina ponekad naziva stanje s negativnom temperaturom. Ali ovaj izraz je uvjetan, jer je sam koncept temperature primjenjiv na ravnotežna stanja, a stanje s inverznom populacijom je neravnotežno stanje.

U slučaju inverzije naseljenosti, svjetlost koja prolazi kroz tvar će biti pojačana. Formalno, to odgovara činjenici da će u Bouguerovom zakonu koeficijent apsorpcije biti negativan. Oni. skup atoma s invertiranom populacijom razina može se smatrati medijem s negativnim apsorpcijskim koeficijentom.


Dakle, da pojačamo svjetlost pomoću tvari, moramo stvoriti inverznu populaciju razina te tvari. Pogledajmo kako se to radi na primjeru rubin lasera.

Rubin je aluminijev oksid u kojem su neki atomi aluminija zamijenjeni atomima kroma. Ovaj rubin je ozračen širokim spektrom frekvencija elektromagnetskih valova. U tom slučaju ioni kroma prelaze u pobuđeno stanje (vidi sl. 4). Ioni aluminija ne igraju značajnu ulogu u ovom pitanju.

Energetsko stanje predstavlja cijeli pojas zbog međudjelovanja iona s kristalnom rešetkom. S razine su za ione kroma moguća dva puta.

1. Povratak u prvobitno stanje energijom uz emisiju fotona.

2. Prijelaz u metastabilno stanje s energijom toplinskom interakcijom s ionima aluminijeve kristalne rešetke.

Životni vijek na razini, kao i obično, jednak je životnom vijeku u pobuđenom stanju - . Spontani prijelaz na razinu označen je strelicom, a prijelaz na metastabilnu razinu označen je strelicom.

Izračuni i eksperiment pokazuju da je vjerojatnost prijelaza puno veća od vjerojatnosti prijelaza. Osim toga, prijelaz iz metastabilnog stanja s energijom u osnovno stanje je zabranjen pravilima selekcije (pravila selekcije nisu apsolutno stroga, ona samo ukazuju na veću ili manju vjerojatnost prijelaza).



Stoga je životni vijek na metastabilnoj razini sto tisuća puta veći od životnog vijeka na razini.

Dakle, s dovoljno velikim brojem atoma kroma može doći do inverzne naseljenosti razine - broj atoma na razini premašit će broj atoma na razini, tj. možemo dobiti ono što želimo.

Spontani prijelaz s razine na glavnu razinu označen je strelicom koja nastaje tijekom tog prijelaza može uzrokovati stimuliranu emisiju sljedećeg fotona, što je označeno strelicom. Ovo je još jedno itd. Oni. nastaje kaskada fotona.

Razmotrimo sada tehničku strukturu rubin lasera.

To je štap promjera reda i duljine . Krajevi šipke su strogo međusobno paralelni i pažljivo polirani. Jedan kraj je idealno zrcalo, drugi je prozirno zrcalo koje prenosi upadnu energiju.

Oko rubinske šipke ugrađeno je nekoliko zavoja crpne svjetiljke - ksenonske svjetiljke koja radi u pulsirajućem načinu rada.

Dakle, stimulirani fotoni nastali su u tijelu štapića. Oni fotoni čiji smjer širenja čini male kutove s osi štapića više puta će proći pored štapića i uzrokovati stimuliranu emisiju metastabilnih atoma kroma. Sekundarni fotoni imat će isti smjer kao i primarni, tj. duž osi štapa. Fotoni iz drugog smjera neće razviti značajnu kaskadu i napustiti će igru. Ako je intenzitet snopa dovoljan, dio izlazi van.

Ruby laseri rade u pulsirajućem načinu rada s brzinom ponavljanja od nekoliko impulsa u minuti. Osim toga, u njima se oslobađa velika količina topline, pa ih je potrebno intenzivno hladiti.

Razmotrimo sada rad plinskog lasera, posebno helij-neonskog lasera.

Sastoji se od kvarcne cijevi koja sadrži mješavinu plinova helija i neona. Helij je pod tlakom, a neon je pod tlakom, s otprilike 10 puta više atoma helija nego atoma neona. Atomi glavnog emitiranja ovdje su atomi neona, a atomi helija igraju pomoćnu ulogu u stvaranju inverzne populacije atoma neona.

Pumpa energije u ovom laseru provodi se pomoću energije tinjajućeg izboja. U tom slučaju, atomi helija su pobuđeni i prelaze u pobuđeno stanje (vidi sl. 5). Ovo stanje za atome helija je metastabilno, tj. obrnuti optički prijelaz zabranjen je selekcijskim pravilima. Stoga atomi helija mogu prijeći u nepobuđeno stanje, prenoseći energiju na atome neona tijekom sudara. Kao rezultat, atomi neona ulaze u pobuđeno stanje, koje je blisko stanju helija. Atomi neona pobuđuju se i energijom tinjajućeg izboja i sudarima s atomima helija.

Osim toga, razina se rasterećuje odabirom dimenzija cijevi tako da atomi neona, budući da su na razini, prenose energiju na njih nakon sudara sa zidovima, krećući se na glavnu razinu.

Kao rezultat ovih procesa, populacija razine za neon je obrnuta. Moguće je prelaziti s razine na razinu.

Glavni strukturni element ovog lasera je kvarcna plinskoizvodna cijev promjera oko . Sadrži elektrode za stvaranje električnog pražnjenja. Na krajevima cijevi nalaze se planparalelna zrcala od kojih je jedno, prednje, prozirno. Uvjeti za pojačanje nastaju samo za one fotone koji se emitiraju paralelno s laserskom osi.

Radna frekvencija lasera je prijelaz. Pravila odabira dopuštaju tridesetak prijelaza. Kako bi se istaknula jedna frekvencija, ogledala su višeslojna, podešena da reflektiraju samo jedan određeni val. Laseri koji emitiraju valove valne duljine . Ali najintenzivniji je prijelaz s valnom duljinom, tj. u infracrvenom području spektra.

Plinski laseri rade u kontinuiranom načinu rada i ne zahtijevaju intenzivno hlađenje.

Karakteristike laserskog zračenja su:

1. Vremenska i prostorna koherentnost.

2. Stroga monokromatičnost.

3. Velika snaga

4. Uskost laserske zrake.

Predavanje 15. (2 sata)

Predavanje 1 2 .

Priroda svjetlosti. Spontana i stimulirana emisija. Inverzija naseljenosti energetskih razina. Princip rada lasera.

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

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

1.2. Kada se kvant elektromagnetskog zračenja apsorbira, elektron prelazi na razinu s višom energetskom vrijednošću, a sam atom prelazi u višeenergetsko pobuđeno stanje, u kojem može ostati samo 10-8 s.

1.2.1. Kako je za prijelaz na višu energetsku razinu potrebna strogo određena energetska vrijednost, pri pobuđivanju atoma kvantima elektromagnetskog zračenja apsorbiraju se samo oni kvanti čija je energija jednaka razlici energija početnog i završnog stanja.

1.2.2. Ako se tvar pobuđuje zračenjem kontinuiranog spektra, tada će se apsorbirati samo oni kvanti čije energije odgovaraju energijama prijelaza elektrona na više energetske razine. Uslijed prolaska takvog zračenja kroz tvar u spektru tog zračenja nastaju tamne crte tzv. apsorpcijski spektar .

1.3. Prijelaz atoma u osnovno stanje može se dogoditi ili izravno ili uzastopnim kretanjem elektrona na razine s nižom energijom.


1.4. Prijelaz elektrona na razinu s nižom energijom praćen je emisijom kvanta elektromagnetskog zračenja, čija je energija jednaka razlici energija razina početnog i završnog stanja.

1.5. Budući da pobuđenih stanja može biti dosta, emitirani kvanti imaju različite energije, a samim time i različite valne duljine.

1.6. Budući da pobuđena stanja imaju diskretne vrijednosti energije, skup emitiranih kvanta tvori linijski spektar.

1.6.1. Prijelazi elektrona s visokoenergetskih razina na jednu određenu razinu niz linija u spektru, čiji su parametri karakteristični za određeni element i razlikuju se od parametara slične serije drugog elementa.

1.6.2. Cjelokupnost nizova čini spektar karakteristično zračenje tvari, što je nedvosmislena karakteristika ove tvari.

1.6.3. Na temelju mjerenja parametara karakterističnog spektra stvorene su metode za spektralnu analizu.

2. Emisija kvanta pobuđenog atoma u odsutnosti vanjskog utjecaja obično se događa spontano, a nastalo zračenje naziva se spontana emisija .

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

2.2. Prema kvantnoj teoriji, vjerojatnost pν pronalazak atoma u stanju s energijom εν pokorava se Boltzmannovoj distribuciji

koji omogućuje, za danu vrijednost energije dovedene atomu, odrediti sposobnost elektrona da zauzme jednu ili drugu energetsku razinu.

2.3. Naziva se broj elektrona koji su istovremeno prisutni na energetskoj razini razina stanovništva .

2.4. U nedostatku vanjskih utjecaja, ravnotežna naseljenost razina na danoj temperaturi održava se spontanom emisijom kvanta.

3. Vrsta spektra spontane emisije ovisi o stanju atoma koji emitira ovaj spektar.

3.1. Izolirani atomi emitiraju zračenje sa atomski spektar .

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

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

3.2. Ako atomi tvore molekulu, tada molekularni spektar (prugasta domet ). Svaki pojas u ovom spektru skup je blisko razmaknutih spektralnih linija.

3.2.1. Kao i u atomskim spektrima, svaka linija u molekularnom spektru rezultat je promjene energije molekule.

3.2.2. Energija molekule može se prikazati kao

gdje je energija translatornog gibanja molekule; – energija rotacijskog gibanja molekule; – energija vibracijskog gibanja atoma molekule jednih u odnosu na druge; – energija elektronskog omotača molekule; – intranuklearna energija molekule.

3.2.3. Energija translatornog gibanja molekule nije kvantizirana i njezine promjene ne mogu dovesti do pojave molekularnog spektra, a učinak na molekularni spektar se može zanemariti kao prva aproksimacija.


3.2.4. Prema Bohrovom pravilu frekvencije

gdje su , , promjene u odgovarajućim dijelovima energije molekule.

3.2.5. Stvaranje pruga nastaje zbog činjenice da

3.2.6. Molekularni spektri imaju prilično složen izgled.

3.2.6.1. Spektar uzrokovan samo prijelazom s jedne rotacijske razine na drugu rotacijsku razinu ( rotacijski spektar ), koji se nalazi u dalekom infracrvenom području (valna duljina 0,1 ¸ 1 mm).

3.2.6.2. Spektar uzrokovan samo prijelazom s jedne vibracijske razine na drugu vibracijsku razinu ( vibracijski spektar ), koji se nalazi u infracrvenom području (valna duljina 1 ¸ 10 µm).

3.2.6.3. Spektar uzrokovan samo prijelazom s jedne elektroničke razine na drugu elektroničku razinu ( atomski spektar ), koji se nalazi u vidljivom, ultraljubičastom i rendgenskom području spektra (valna duljina 0,8 µm ¸ 10-10 m).

3.2.6.4. Kada se energija titrajnog gibanja molekule mijenja, može se promijeniti i energija rotacijskog gibanja. U ovom slučaju nastaje vibracijsko-rotacijski spektar , koji je vibracijski spektar, čija je svaka linija popraćena blisko razmaknutim linijama rotacijskih prijelaza.

3.2.6.5. Prijelazi između elektroničkih razina molekule često su popraćeni prijelazima između vibracijskih razina. Rezultat je spektar tzv elektronički vibracijski , a budući da su vibracijski prijelazi popraćeni rotacijskim prijelazima, vibracijske razine u elektronsko-vibracijskom spektru predstavljene su kao zamagljene trake.

3.3. Ramanovo raspršenje ( samostalno istraživanje).

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

4.1. Vjerojatnost stimulirane emisije ovisi o energiji kvanta koji djeluje na pobuđene atome. Najveća vjerojatnost pojave stimulirane emisije bit će kada energija pobudnog kvanta bude jednaka energiji prijelaza.

4.2. Kada kvant prolazi kroz sustav pobuđenih atoma, pojavljuje se tok kvanta čija je energija jednaka energiji pobudnog kvanta ( efekt optičkog pojačanja ).

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

gdje je stopa prirodne apsorpcije, i x– debljina upijajućeg sloja.

Sličan je porast protoka kvanta pri prolasku kroz materiju negativni koeficijent apsorpcije (negativna adsorpcija svjetla ).

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

Intenzitet svjetlosti naglo raste s povećanjem debljine sloja.

4.5. Sredstvo s negativnim koeficijentom apsorpcije naziva se aktivni medij .

5. Moguća su tri tipa prijelaza između dvije energetske razine

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

5.1. Broj elektrona u pobuđenim razinama pokorava se Boltzmannovoj distribuciji i naziva se razina stanovništva .

5.2. Uz uobičajenu shemu zračenja stanovništvo N viša razina energije manja je od populacije niže razine energije.

5.3. Broj događaja kvantne apsorpcije proporcionalan je populaciji N 1 manje visoke energetske razine, a broj emisijskih događaja proporcionalan je broju stanovnika N 2 više razine energije.

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

Gdje k– koeficijent proporcionalnosti.

5.5. U konvencionalnoj shemi zračenja, Boltzmannova distribucija elektrona je zbog spontanih prijelaza ().

5.6. Zbog intenzivne ekscitacije sustava atoma ( pumpanje ) moguće je postići takvu povredu Boltzmannove distribucije da N 2 će biti više N 1 (inverzna populacija ). Tada stopa prirodne apsorpcije postaje manja od nule i dobivamo Bouguer-Lambert-Fabricantov zakon.

6. Pojava stimulirane emisije ostvaruje se u laseri .

6.1. U početku, za dobivanje stimulirane emisije, korištena je shema s tri razine u rubinu, čija kristalna rešetka sadrži primjesu Cr, stvarajući usku dvostruku dodatnu razinu U u zoni pobuđenih stanja.

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

6.1.2. Elektroni s ovih razina spontanim prijelazima (2) bez zračenja naseljavaju nižu energetsku razinu U , stvarajući inverznu populaciju na njemu. Energija prijelaza prenosi se na kristalnu rešetku i povećava temperaturu tvari.

6.1.3. Prijelazi s inverzne razine B na glavnu razinu A provode se pod utjecajem kvanta s energijom koja odgovara razlici energije između inverzne razine i glavne razine.

6.2. Krug laserskog hardvera je šipka A od djelatne tvari, na krajevima ograničena s dva zrcala – neprozirna U i proziran S.

6.2.1. Nakon pumpanja aktivne tvari, prvi prijelaz s inverzne razine na osnovnu razinu dovodi do stvaranja kvanta koji pokreće proces nastanka laserskog zračenja.

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

6.2.3. Kada se reflektira od prozirnog zrcala, dio toka kvanta, koji je lasersko zračenje, napušta aktivni medij. Ostatak toka kvanta vraća se u aktivni medij kako bi pokrenuo prisilne prijelaze.

6.2.4. Blago odstupanje smjera širenja kvanta od kristalne osi eliminira se pomoću zakrivljene površine reflektirajućih zrcala U I S.

6.2.5. Učinak kvantnog pojačanja značajno se povećava kada početni kvanti opetovano prolaze kroz aktivni medij.

6.2.6. Inverzna razina kroma sastoji se od dvije podrazine i stoga se zračenje rubinskog lasera sastoji od kvanta s dvije valne duljine (0,6927 nm i 0,6943 nm).

7. Trenutačno se kao aktivni mediji u laserima koriste:

    čvrste tvari (rubin; neodimom aktivirani itrij aluminijski granat; neodimom aktivirano staklo); plinovi i plinske smjese (N2; CO; CO2; metalne pare); tekućine (otopine organskih boja); poluvodiči.

7.1. Lasersko zračenje u čvrstim tijelima javlja se tijekom prijelaza između energetskih razina atoma nečistoća. Valna duljina unutar 0,35¸1,06 mikrona pri snazi ​​do 1 kW.

7.2. Lasersko zračenje u plinovima najčešće nastaje pri elektroničko-vibracijskim prijelazima između različitih elektronskih stanja (N2 laser, excimer laseri) ili tijekom vibracijsko-rotacijskih prijelaza unutar jednog elektronskog stanja (CO2-, CO-laseri). Valna duljina unutar 5¸11 mikrona sa snagom do 15 kW.

7.3. Lasersko zračenje u tekućinama tijekom elektroničkih prijelaza između energetskih razina bojila. Valna duljina unutar 0,2¸5 mikrona pri snazi ​​do 1,5 W. Moguće je glatko podešavanje valne duljine.

7.4. Inverzija naseljenosti u poluvodičkim laserima nastaje prijelazima između stanja u valentnim vrpcama poluvodičkog kristala, a ne između diskretnih razina. Valna duljina unutar 0,75¸30 mikrona pri snazi ​​do 0,5 W.

8. Glavne karakteristike laserskog zračenja su:

    Prostorna i vremenska koherentnost zračenja . Vrijeme koherencije doseže 10-3 s. To odgovara duljini koherencije od približno 105 m. Dobro monokromatsko zračenje . Razine nečistoća znatno su uže od razina glavne tvari i stoga spektralna širina zračenja ne smije prelaziti 10-11¸10-10 m. Divergencija kratkog svjetla :

0,5¸10 mrad za plinske lasere;

0,2¸5 mrad za lasere u čvrstom stanju.

    Visoka gustoća snage u fokusiranom snopu (do 1010 W/m2).

Ako je sustav u stanju termodinamičke ravnoteže s vanjskim okolišem, tada je vjerojatnost da je bilo koji atom na energetskoj razini karakterizirana faktorima ili Ako je ukupni broj atoma koji čine sustav, tada je broj atoma koji nastanjuju energetske razine , tj. populacija ovih razina, jednaka je

Ovdje su statističke težine tih razina (stupnjevi degeneracije), tj. broj različitih stanja ili skupova kvantnih brojeva za danu razinu energije.

Posljedično, omjer populacija ovih energetskih razina određen je izrazom

U slučaju nedegeneriranih stanja, tj. kada imamo

Ako tada, u termodinamičkoj ravnoteži, naseljenost i temperatura, izražene kroz omjer naseljenosti razina, budu jednake

Prema drugom zakonu termodinamike, sustav uvijek teži ravnoteži, a ako vanjski utjecaj dovodi do

iz stanja termodinamičke ravnoteže (primjerice, stanje atoma aktivatora u rubinu nakon optičkog pumpanja), tada će sustav preraspodjelom energije sam prijeći u novu termodinamičku ravnotežu. Tipično, takvi procesi koji vraćaju sustav u stanje ravnoteže nazivaju se procesi relaksacije. Analizirajmo izraz temperature sustava kroz populacije energetskih razina.

1. ako su tj. svi atomi u biti u stabilnom stanju.

2. ako populacija tj. niske razine energije imaju veću populaciju od visokih. Ova stanja sustava približavaju se stanju ravnoteže.

3. Ako smo, kao rezultat vanjskog utjecaja, uspjeli preraspodijeliti čestice u sustavu tako da je naseljenost visokih energetskih razina postala veća od onih niskih, tj. tada je lako provjeriti da to stanje odgovara negativna vrijednost temperature naziva se stanje s invertiranom naseljenošću. Međutim, treba uzeti u obzir da kod invertirane populacije Boltzmannova distribucija ne vrijedi, stoga se određivanje negativne temperature može smatrati samo određivanjem neravnotežnog stanja.

Udio: