Ev » Onkoloji » Nüfusun tersine çevrilmesi. Ters popülasyon Ters popülasyona sahip bir maddeye denir

Nüfusun tersine çevrilmesi. Ters popülasyon Ters popülasyona sahip bir maddeye denir

Radyasyonun maddeden geçişi. Düzeylerin ters popülasyonu. Tekrar enerji seviyelerine sahip iki seviyeli bir ortam düşünün Ve . Frekanslı monokromatik radyasyon bu ortama düşerse

sonra bir mesafeye yayıldığında dx Spektral enerji yoğunluğundaki değişiklik, sistemdeki atomların hem rezonans soğurulması hem de indüklenmiş (uyarılmış) emisyonu ile ilişkilendirilecektir. Uyarılmış emisyon nedeniyle spektral enerji yoğunluğu Işındaki artışlar ve enerjideki bu artışın aşağıdakilerle orantılı olması gerekir:

İşte boyutsal orantı katsayısı.

Benzer şekilde, foton soğurma süreçleri nedeniyle ışındaki spektral enerji yoğunluğu azalır:

katlanır Ve , tam değişimi buluyoruz enerji yoğunluğu:

Einstein katsayılarının eşitliği dikkate alındığında ve emme katsayısının girilmesi A bu denklemi formda yazıyoruz

Bu diferansiyel denklemin çözümü şu şekildedir:

Bu formül spektral enerji yoğunluğunu verir sen kalın bir madde tabakasından geçerken bir foton ışınında X, noktaya karşılık gelen yer X = 0 .

Termodinamik denge koşulları altında Boltzmann dağılımına uygun olarak, , bu nedenle soğurma katsayısı a pozitiftir () :

Böylece (6.18)'den görülebileceği gibi radyasyonun enerji yoğunluğu madde içinden geçerken yani ışık emildikçe azalır. Ancak öyle bir sistem yaratırsanız , o zaman emme katsayısı negatif olacak ve zayıflama olmayacak, ancak artan yoğunluk Sveta. Adlandırıldığı ortamın durumu ters nüfus düzeyine sahip eyalet, ve çevrenin kendisi buna denir aktif ortam. Düzeylerin ters popülasyonu Boltzmann denge dağılımıyla çelişir ve sistem termodinamik denge durumundan çıkarılırsa yapay olarak oluşturulabilir.

Bu, tutarlı optik radyasyonun güçlendirilmesi ve üretilmesi için temel olasılığı yaratır ve pratikte bu tür radyasyon kaynaklarının - lazerlerin geliştirilmesinde kullanılır.

Lazer çalışma prensibi. Lazerin yaratılması, bazı maddelerin (aktif ortam) düzey popülasyonunu tersine çeviren yöntemlerin bulunmasından sonra mümkün hale geldi. Spektrumun görünür bölgesindeki ilk pratik jeneratör (ABD'de Mayman (1960) tarafından) yakut esas alınarak oluşturuldu. Yakut, küçük ( 0,03 % – 0,05 % ) krom iyonlarının karışımı (). İncirde. Şekil 6.1 kromun enerji seviyelerinin bir diyagramını göstermektedir ( üç katmanlı ortam). Geniş seviye görünür ışığın yeşil-mavi bölgesinde geniş bir frekans bandına sahip güçlü bir gaz deşarj lambasından gelen ışıkla krom iyonlarını uyarmak için kullanılır - pompa lambaları. Harici bir kaynaktan gelen pompa enerjisi nedeniyle krom iyonlarının uyarılması bir okla gösterilmiştir. .

Pirinç. 6.1. Aktif üç seviyeli ortamın şeması (yakut)

Kısa ömürlü bir seviyedeki elektronlar hızlı ( C) bir seviyeye ışınımsız geçiş (mavi okla gösterilmiştir) . Bu durumda açığa çıkan enerji foton şeklinde yayılmaz, yakut kristaline aktarılır. Bu durumda yakut ısınır, böylece lazer tasarımı soğumasını sağlar.

Ömür boyu süren bir darboğaz şuna eşittir: C yani geniş bant seviyesinden 5 kat daha fazla . Yeterli pompa gücü ile seviyedeki elektron sayısı (denilen) yarı kararlı) seviyeden daha fazlası olur , yani "çalışan" seviyeler arasında ters bir popülasyon yaratılır ve .

Bu seviyeler arasındaki kendiliğinden geçiş sırasında yayılan foton (kesikli okla gösterilmiştir) ek (uyarılmış) fotonların emisyonunu indükler - (geçiş bir okla gösterilir), bu da neden uyarılmış dalga boyuna sahip bir foton dizisinin emisyonu.

Örnek 1. Termodinamik denge koşulları altında oda sıcaklığında bir yakut kristalindeki çalışma seviyelerinin göreceli popülasyonunu belirleyelim.

Ruby lazerin yaydığı dalga boyuna göre enerji farkını buluyoruz:

Oda sıcaklığında T = 300 K sahibiz:

Boltzmann dağılımından şimdi şu şekilde çıkıyor

Tersine çevrilmiş düzey popülasyonuna sahip aktif bir ortamın uygulanması savaşın yalnızca yarısıdır. Lazerin çalışması için, ışık üretmeye yönelik koşulların yaratılması, yani kullanılması da gereklidir. olumlu geribildirim. Aktif ortamın kendisi yalnızca iletilen radyasyonu güçlendirebilir. Lazer modunu uygulamak için, uyarılmış radyasyonu sistemdeki tüm kayıpları telafi edecek şekilde yükseltmek gerekir. Bunu yapmak için aktif madde yerleştirilir. optik rezonatör, Kural olarak, biri yarı saydam olan ve rezonatörden radyasyon çıkarmaya yarayan iki paralel aynadan oluşur. Yapısal olarak, ilk yakut lazerler uzunluğa sahip silindirik kristaller kullandı. 40mm ve çap 5 mm. Uçlar birbirine paralel olarak cilalandı ve rezonatör aynası görevi gördü. Uçlardan biri, yansıma katsayısı birliğe yakın olacak şekilde gümüşle kaplandı, diğer ucu ise yarı saydam yani birden küçük bir yansıma katsayısına sahip oldu ve rezonatörden radyasyon çıkışı için kullanıldı. Uyarının kaynağı, yakutun çevresini sarmal bir şekilde saran güçlü bir atımlı ksenon lambaydı. Yakut lazerin cihazı şematik olarak Şekil 2'de gösterilmektedir. 6.2.

Pirinç. 6.2. Ruby lazer cihazı: 1- yakut çubuk; 2- darbeli gaz deşarj lambası; 3- yarı saydam ayna; 4- ayna; 5- uyarılmış emisyon

Yeterli pompa lambası gücü ile krom iyonlarının çoğunluğu (yaklaşık yarısı) uyarılmış duruma aktarılır. Enerjili işletim seviyeleri için nüfus tersine çevrilmesi elde edildikten sonra Ve , bu seviyeler arasındaki geçişe karşılık gelen ilk kendiliğinden yayılan fotonların tercih edilen bir yayılma yönü yoktur ve uyarılmış emisyona neden olur, bu da yakut kristalinde her yöne yayılır. Uyarılmış emisyonla üretilen fotonların, gelen fotonlarla aynı yönde uçtuğunu hatırlayın. Hareket yönleri kristal çubuğun ekseniyle küçük açılar oluşturan fotonlar, uçlarından çoklu yansımalara maruz kalır. Diğer yönlere yayılan fotonlar yakut kristalinden yan yüzeyinden çıkar ve dışarı çıkan radyasyonun oluşumuna katılmaz. Rezonatörde bu şekilde üretilir dar topuz ışık ve fotonların aktif ortamdan tekrarlanan geçişi, daha fazla foton emisyonuna neden olur ve çıkış ışınının yoğunluğunu arttırır.

Bir yakut lazer tarafından ışık radyasyonunun üretilmesi, Şekil 2'de gösterilmektedir. 6.3.

Pirinç. 6.3. Yakut lazerden radyasyon üretimi

Böylece optik rezonatör iki işlevi yerine getirir: birincisi pozitif geri bildirim oluşturur ve ikincisi, belirli bir uzaysal yapıya sahip dar yönlendirilmiş bir radyasyon ışını oluşturur.

Göz önünde bulundurulan üç seviyeli şemada, çalışma seviyeleri arasında bir popülasyon inversiyonu oluşturmak için, önemli miktarda enerji harcaması gerektiren yeterince büyük bir atom fraksiyonunun uyarılması gerekir. Daha etkili dört seviyeli şema, katı hal lazerlerinde, örneğin neodim iyonları kullanılarak kullanılır. Nötr atomlar üzerindeki en yaygın gaz lazerinde - helyum- neon lazer - dört seviyeli bir şemaya göre üretim koşulları da karşılanmaktadır. Böyle bir lazerdeki aktif ortam, inert gazların bir karışımıdır. - Temel durum enerjili helyum ve neon (bunu sıfır seviyesi olarak alıyoruz). Pompalama, atomların enerji ile uyarılmış bir duruma geçmesi nedeniyle elektrikli gaz deşarjı sürecinde gerçekleştirilir. . Seviye neon atomlarında (Şekil 6.4) seviyeye yakın helyumda ve helyum atomları neon atomlarıyla çarpıştığında, uyarılma enerjisi radyasyon olmadan etkili bir şekilde neon atomlarına aktarılabilir.

Pirinç. 6.4. Seviye diyagramı Yok- Hayır-lazer

Böylece seviye neon alt seviyeye göre daha kalabalık görünüyor . Bu çalışma seviyeleri arasındaki geçişe dalga boyuna sahip radyasyon eşlik eder. 632,8 nm Endüstriyel alanda temel olan Ne-Ne-lazerler. Düzeyinde Neon atomları uzun süre kalmaz ve hızla temel duruma döner. Seviyeye dikkat edin Neon son derece önemsiz bir nüfusa sahiptir ve bu nedenle aralarında ters bir nüfus yaratmaktadır. Ve az sayıda helyum atomunun uyarılması gerekir. Bu, dört seviyeli bir üretim şeması için tipik olan, kurulumun hem pompalanması hem de soğutulması için çok daha az enerji gerektirir. Lazer lazerleme için, hem görünür hem de IR aralıklarında radyasyon üreten diğer neon seviyeleri de kullanılabilir (Şekil 6.4'te gösterilmemiştir), helyum yalnızca pompalama işlemi için kullanılır.

Örnek 2. Düzeyin göreceli denge popülasyonunu bulalım. neonda oda sıcaklığında.

Bu problem önceki problemden yalnızca sayısal değerler açısından farklılık göstermektedir. Çeşitlilik sağlamak için hesaplamaları elektron volt cinsinden yapalım. Önce Boltzmann sabitini bu birimlerle ifade edelim:

yani oda sıcaklığında

Artık kolayca bulabiliriz

Pratik açıdan bakıldığında, bu kadar küçük bir sayı sıfırdan farklı değildir, bu nedenle zayıf pompalamada bile seviyeler arasında ters bir popülasyon yaratılır. Ve .

Lazer radyasyonunun karakteristik özellikleri vardır:

yüksek zamansal ve uzaysal tutarlılık (tek renkli radyasyon ve kısa ışın sapması);

yüksek spektral yoğunluk.

Radyasyon özellikleri lazer tipine ve çalışma moduna bağlıdır, ancak sınırlayıcı değerlere yakın bazı parametreler not edilebilir:

Hızlı süreçleri incelerken kısa (pikosaniye) lazer darbeleri vazgeçilmezdir. Bir darbede, her biri bir milyon kW'lık birkaç nükleer santral ünitesinin gücüne eşit olan son derece yüksek bir tepe gücü (birkaç GW'a kadar) geliştirilebilir. Bu durumda radyasyon dar bir koni içinde yoğunlaşabilir. Bu tür ışınlar, örneğin retinanın gözün fundusuna "kaynaklanmasını" mümkün kılar.

Lazer türleri. Genel fizik dersinin bir parçası olarak, aşırı çeşitlilikleri nedeniyle çeşitli lazer türlerinin spesifik özellikleri ve teknik uygulamaları üzerinde ayrıntılı olarak duramayız. Aktif ortamın özellikleri ve pompalama yöntemleri bakımından farklılık gösteren lazer türlerinin oldukça kısa bir incelemesiyle kendimizi sınırlayacağız.

Katı hal lazerleri. Genellikle darbelidirler; bu türden ilk lazer, yukarıda açıklanan yakut lazerdir. Çalışma maddesi olarak neodim içeren cam lazerler popülerdir. Dalga boyunda ışık üretirler. 1,06 mikron, boyutları büyüktür ve TW'ye kadar tepe gücüne sahiptirler. Kontrollü termonükleer füzyon deneyleri için kullanılabilir. Bir örnek, ABD'deki Livermore Laboratuvarı'ndaki devasa Shiva lazeridir.

Çok yaygın lazerler, dalga boyunda kızılötesi aralıkta yayan, neodimyumlu (Nd:YAG) itriyum alüminyum garnettir. µm. Hem sürekli üretim modunda hem de darbeli modda, birkaç kHz'e kadar darbe tekrarlama oranıyla çalışabilirler (karşılaştırma için: bir yakut lazerin birkaç dakikada bir 1 darbesi vardır). Elektronik teknolojisi (lazer teknolojisi), optik ölçüm, tıp vb. alanlarda geniş bir uygulama alanına sahiptirler.

Gaz lazerleri. Bunlar genellikle sürekli lazerlerdir. Kirişin doğru uzaysal yapısı ile ayırt edilirler. Örnek: Helyum-neon lazer dalga boylarında ışık üretiyor 0,63 , 1,15 Ve 3,39 µm ve mW mertebesinde bir güce sahip. Teknolojide yaygın olarak kullanılıyor - kW düzeyinde güce ve dalga boylarına sahip lazer 9,6 Ve 10,6 µm. Gaz lazerlerini pompalamanın bir yolu elektrik deşarjıdır. Aktif gazlı ortama sahip çeşitli lazerler kimyasal ve excimer lazerlerdir.

Kimyasal lazerler. Popülasyonun tersine dönmesi, hidrojen (döteryum) ve flor gibi iki gaz arasındaki kimyasal reaksiyonla yaratılır. Ekzotermik reaksiyonlara dayalı

Moleküller HF zaten salınımların uyarılmasıyla doğmuşlardır, bu da anında ters bir popülasyon yaratır. Ortaya çıkan çalışma karışımı, biriken enerjinin bir kısmının elektromanyetik radyasyon şeklinde salındığı bir optik rezonatörden süpersonik hızda geçirilir. Bir rezonatör ayna sistemi kullanılarak bu radyasyon dar bir ışına odaklanır. Bu tür lazerler yüksek enerji yayar (daha fazla bilgi 2kJ), darbe süresi yakl. 30 ns, güç kadar W. Verimlilik (kimyasal) ulaşır 10 % , genellikle diğer lazer türleri için - yüzde kesirler. Oluşturulan dalga boyu - 2,8 mikron(3,8 mikron lazerler için DF).

Çok sayıda kimyasal lazer türü arasında hidrojen florür (döteryum) lazerleri en umut verici olanı olarak kabul edilmektedir. Sorunlar: Belirtilen dalga boyuna sahip hidrojen florür lazerlerin radyasyonu, atmosferde her zaman mevcut olan su molekülleri tarafından aktif olarak dağıtılır. Bu, radyasyonun parlaklığını büyük ölçüde azaltır. Döteryum florür lazeri, atmosferin neredeyse şeffaf olduğu bir dalga boyunda çalışır. Ancak bu tür lazerlerin spesifik enerji salınımı, lazerlere göre bir buçuk kat daha azdır. HF. Bu, onları uzayda kullanırken çok daha fazla miktarda kimyasal yakıtın ortadan kaldırılması gerekeceği anlamına geliyor.

Excimer lazerler. Excimer molekülleri, yalnızca uyarılmış bir durumda olabilen iki atomlu moleküllerdir (örneğin, ) - uyarılmamış durumları kararsız hale gelir. Excimer lazerlerin ana özelliği bununla bağlantılıdır: Excimer moleküllerinin temel durumu doldurulmamıştır, yani alt çalışma lazer seviyesi her zaman boştur. Pompalama, atomların önemli bir kısmını eksimer molekülleri halinde birleştirdikleri uyarılmış bir duruma aktaran darbeli bir elektron ışını tarafından gerçekleştirilir.

İşletim seviyeleri arasındaki geçiş geniş bant olduğundan üretim frekansının ayarlanması mümkündür. Lazer, UV bölgesinde ayarlanabilir radyasyon üretmez ( nm) ve yüksek verimliliğe sahiptir ( 20 % ) enerji dönüşümü. Şu anda dalga boyuna sahip excimer lazerler 193 deniz mili Oftalmik cerrahide korneanın yüzeysel buharlaştırılması (ablasyonu) için kullanılır.

Sıvı lazerler. Sıvı haldeki aktif maddenin homojen olması ve soğuma için sirkülasyona izin vermesi, katı hal lazerlerine göre avantaj sağlar. Bu, darbeli ve sürekli modlarda yüksek enerjiler ve güçler elde etmenizi sağlar. İlk sıvı lazerler (1964–1965) nadir toprak bileşiklerini kullandı. Bunların yerini organik boya çözeltileri kullanan lazerler aldı.

Bu tür lazerler genellikle görünür veya UV aralığındaki diğer lazerlerden gelen radyasyonun optik olarak pompalanmasını kullanır. Boya lazerlerinin ilginç bir özelliği, üretim frekansını ayarlama olanağıdır. Bir boya seçilerek, yakın IR'den yakın UV aralığına kadar herhangi bir dalga boyunda lazer elde edilebilir. Bunun nedeni sıvı moleküllerin geniş sürekli titreşim-dönme spektrumlarıdır.

Yarı iletken lazerler. Yarı iletken malzemelere dayalı katı hal lazerleri ayrı bir sınıfta sınıflandırılır. Pompalama, bir elektron ışını, güçlü lazer ışınımı ile bombardıman yoluyla, ancak daha sıklıkla elektronik yöntemlerle gerçekleştirilir. Yarı iletken lazerler, tek tek atomların veya moleküllerin ayrık enerji seviyeleri arasındaki geçişleri değil, izin verilen enerji bantları arasındaki, yani yakın aralıklı seviye kümeleri arasındaki geçişleri kullanır (kristallerdeki enerji bantları sonraki bölümlerde daha ayrıntılı olarak tartışılmıştır). Çeşitli yarı iletken malzemelerin kullanılması, dalga boylarında radyasyon elde edilmesini mümkün kılar. 0,7 önce 1,6 mikron. Aktif elemanın boyutları son derece küçüktür: rezonatörün uzunluğu daha az olabilir 1 mm.

Tipik güç birkaç kW mertebesindedir, darbe süresi ise yaklaşık 3 ns verimlilik ulaşır 50 % , geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir (fiber optik, iletişim). Televizyon görüntülerini geniş ekrana yansıtmak için kullanılabilir.

Serbest elektron lazerleri. Yüksek enerjili elektronlardan oluşan bir ışın, elektronları belirli bir frekansta salınmaya zorlayan uzaysal periyodik bir manyetik alan olan bir "manyetik tarak" içinden geçirilir. İlgili cihaz - bir salındırıcı - hızlandırıcının bölümleri arasında yer alan bir dizi mıknatıstır, böylece göreceli elektronlar salındırıcı ekseni boyunca hareket eder ve ona çapraz olarak salınarak birincil ("kendiliğinden") bir elektromanyetik dalga yayar. Elektronların daha sonra girdiği açık bir rezonatörde, spontane elektromanyetik dalga güçlendirilerek tutarlı yönlendirilmiş lazer radyasyonu yaratılır. Serbest elektron lazerlerinin ana özelliği, elektronların kinetik enerjisini değiştirerek üretim frekansını (görünürden IR aralığına) sorunsuz bir şekilde ayarlama yeteneğidir. Bu tür lazerlerin verimliliği 1 % ortalama güçte 4W. Elektronları rezonatöre geri döndüren cihazlar kullanılarak verimlilik artırılabilir. 20–40 % .

X-ışını lazeriİle nükleer pompalama. Bu en egzotik lazerdir. Şematik olarak, yüzeyine farklı yönlere yönlendirilmiş 50'ye kadar metal çubuğun monte edildiği bir nükleer savaş başlığını temsil eder. Çubukların iki serbestlik derecesi vardır ve silah namluları gibi uzayda herhangi bir noktaya yönlendirilebilir. Her çubuğun ekseni boyunca, yüksek yoğunluklu bir malzemeden (altın yoğunluğuna göre) - aktif ortamdan yapılmış ince bir tel vardır. Lazer pompalama enerjisinin kaynağı nükleer bir patlamadır. Patlama sırasında aktif madde plazma durumuna geçer. Anında soğuyan plazma, yumuşak X-ışını aralığında tutarlı radyasyon yayar. Yüksek enerji konsantrasyonu nedeniyle hedefe çarpan radyasyon, maddenin patlayıcı buharlaşmasına, şok dalgası oluşumuna ve hedefin yok olmasına yol açar.

Böylece X-ışını lazerinin çalışma prensibi ve tasarımı, uygulama kapsamını açıkça ortaya koymaktadır. Açıklanan lazer, X-ışını aralığında kullanılması mümkün olmayan boşluk aynalarına sahip değildir.

Aşağıdaki şekilde bazı lazer türleri gösterilmektedir.

Bazı lazer türleri: 1- laboratuvar lazeri; 2- sürekli lazer açık;
3 - delik açmak için teknolojik lazer; 4- güçlü teknolojik lazer

Atom yoğunluğunun altta olduğu iki seviyeli bir sistemi ele alalım. N 1 ve üst N 2 enerji seviyesi.

Birinci seviyeden ikinci seviyeye zorunlu geçiş olasılığı şuna eşittir:

Nerede σ 12 – radyasyon yoğunluğunun etkisi altında geçiş olasılığı J.

Daha sonra birim zaman başına indüklenen geçişlerin sayısı şu şekilde olacaktır:

Sistem ikinci seviyeden iki şekilde hareket edebilir: zorunlu ve kendiliğinden. Sistemin dış uyarımın sona ermesinden sonra termodinamik denge durumuna ulaşabilmesi için kendiliğinden geçişler gereklidir. Kendiliğinden geçişler, ortamın termal radyasyonunun neden olduğu geçişler olarak düşünülebilir. Birim zaman başına kendiliğinden geçişlerin sayısı eşittir; burada A 2 – kendiliğinden geçiş olasılığı. İkinci seviyeden zorunlu geçişlerin sayısı

Etkin absorpsiyon ve emisyon kesitlerinin oranı şuna eşittir:

Nerede G 1 , G 2 seviye dejenerasyonunun çokluğu.

Denge denklemi, toplam sayıya eşit olması gereken seviyelerin popülasyonlarının toplamı ile belirlenir. N Sistemde 0 parçacık N 1 + n 2 =n 0 .

Popülasyonların zaman içindeki değişimi aşağıdaki denklemlerle açıklanmaktadır.

Bu denklemlerin çözümü aşağıdaki gibidir.

Popülasyonların zaman türevlerinin sıfıra eşit olduğu durağan durumda bu denklemlerin çözümü şöyle olacaktır:

İki seviyeli bir sistemin ters popülasyonu sağlanacaktır veya

Buradan, yalnızca üst seviyedeki yozlaşmanın çokluğu ana seviyedeki yozlaşmanın çokluğundan daha büyük olduğunda, kendiliğinden geçişlerden kaynaklanan nüfus kayıpları dikkate alındığında, ters nüfusa sahip bir durumun mümkün olduğu sonucu çıkar. Atomik sistemler için bu pek mümkün değildir. Bununla birlikte, yarı iletkenler için bu mümkündür, çünkü iletim bandı ve değerlik bandının durumlarının dejenerasyonunun çokluğu durumların yoğunluğu tarafından belirlenir.

Üç seviyeli sistemlerin ters popülasyonu

Enerjileri olan üç seviyeli bir sistem düşünürsek e 1 , e 2 , E 3 ve e 1 >e 2 >E 3 ve nüfuslar N 1 , N 2 , N 3, o zaman popülasyonlar için denklemler olacaktır.

Durağan durumda seviyelerin yozlaşmasının çokluğundaki farkı hesaba katmadan, ters popülasyona göre bu denklemlerin çözümü şöyle olacaktır:

Sabit durumda

Ters popülasyonun varlığına ilişkin koşul Δ>0 şu şekilde sağlanır:

Yarıiletkenlerde üç seviyeli bir sistem, alt seviyenin değerlik bandı, üstteki iki seviyenin ise iletim bandının iki durumu olduğu bir sistem olarak düşünülebilir. Tipik olarak, iletim bandı içinde, ışınımsal olmayan geçişlerin olasılığı, bölge-bölge geçişlerinin olasılığından çok daha yüksektir, dolayısıyla A 32 » A 31, dolayısıyla popülasyonun ters çevrilmesi koşulu şöyle olacaktır:

Çünkü

burada ρ 13, aktif malzemenin emme bandında ortalaması alınan pompa enerji yoğunluğudur; bu koşul karşılanabilir.

Güçlü elektrik alanlarında elektriksel iletkenlik

Doğrusal olmayan Ohm yasası

Güçlü elektrik alanlarında parçacığa etki eden kuvvet artar ve bu da parçacığın hızının artmasına neden olur. Parçacık hızı termal hareket hızından düşük olduğu sürece, elektrik alanının elektriksel iletkenlik üzerindeki etkisi önemsizdir ve Ohm'un doğrusal yasası sağlanır. Elektrik alan kuvveti arttıkça parçacığın sürüklenme hızı artar ve elektriksel iletkenliğin elektrik alan kuvvetine bağımlılığı doğrusal hale gelir.

Kristal kafes titreşimleri ile saçılma sırasında ortalama serbest yol enerjiye bağlı olmadığından, elektrik alan şiddeti ve sürüklenme hızının artmasıyla birlikte gevşeme süresi azalacak ve hareketlilik azalacaktır. Yoğunluklu bir elektrik alanındaki bir parçacığa etki eden kuvvet e eşittir o. Bu kuvvet ivmelenmeye neden olur ve parçacığın termal hızını değiştirir. v T. Bir elektrik alanının etkisi altında parçacık hızlanır ve birim zamanda kuvvetlerin çalışmasına eşit enerji kazanır. o:

(7.1) .

Öte yandan, bir parçacığın tek bir çarpışmada veya serbest yolu sırasında kaybettiği enerji, toplam enerjinin küçük bir kısmıdır (ξ). T ve birim zaman başına. Bu nedenle şunu yazabiliriz: .

Bu ifadeyi formül (7.1) ile eşitleyerek elektrik alan kuvveti ve parçacık hızı için bir denklem elde edebiliriz:

(7.2) , veya . .

Salınımlarla saçılma için ortalama serbest yol sabittir, bu durumda hız elektrik alan gücüne bağlıdır:

Hareketliliğin elektrik alan gücüne aşağıdaki şekilde bağlı olacağı yer:

Elektrik alan şiddeti arttıkça hareketlilik azalır.

Ohm'un güçlü alanlardaki doğrusal olmayan yasası aşağıdaki biçimde olacaktır: .

Zinner etkisi

Zinner etkisi, bölge-bölge tünelleme geçişine bağlı olarak elektronların alan emisyonunda kendini gösterir. Bir elektron kristal kafesin bir bölgesinden diğerine hareket ettiğinde, iki bölgeyi ayıran potansiyel bariyerin aşılması gerekir. Bu potansiyel bariyer bant aralığını belirler. Bir elektrik alanının uygulanması, potansiyel bariyeri dış elektrik alanının yönünün tersi yönde azaltır ve çekirdeğe bağlı durumdan iletim bandına bir elektron tünelleme geçişi olasılığını arttırır. Doğası gereği, bu geçiş değerlik bandının elektronları ile meydana gelir ve elektronların akışı kristal kafesin bir düğümünden iletim bandının serbest durumuna yönlendirilecektir. Bu etkiye Zinner parçalanması veya soğuk elektron emisyonu da denir. 10 4 – 10 5 V/cm şiddetindeki elektrik alanlarında gözlenir.

Stark etkisi

Stark etkisi atomik seviyelerin enerjisinde bir kaymaya ve değerlik bandının genişlemesine yol açar. Bu, bant aralığındaki bir azalmaya ve elektronların ve deliklerin denge konsantrasyonundaki bir artışa benzer.

Uzak eyaletlerde R Bir atomun çekirdeğinden 0, dış elektrik alanından elektrona etki eden kuvvet çekirdeğe olan çekim kuvvetini dengeleyebilir:

Bu durumda atomdan bir elektronu çıkarıp serbest duruma aktarmak mümkündür. Formül (7.6)'dan iyonlaşma mesafesi şuna eşittir:

Bu etki, bir elektronun serbest duruma geçişinin önündeki potansiyel engeli şu miktarda azaltır:

(7.7) .

Potansiyel bariyerdeki bir azalma, termal uyarılma olasılığının şu miktarda artmasına neden olur:

(7.8) .

Bu etki 10 5 – 10 6 V/cm şiddetindeki elektrik alanlarında gözlenir.

Gan etkisi

Bu etki, farklı eğriliğe sahip iletim bandının iki enerji minimumuna sahip yarı iletkenlerde gözlenir ve yerel minimumun etkin kütlesi, mutlak minimumun temel durumunun etkin kütlesinden daha büyük olmalıdır. Güçlü enjeksiyon seviyelerinde, elektronlar temel minimum durumlarını doldurabilir ve temel minimumdan başka bir yerel minimuma geçebilir. Yerel minimumdaki elektronların kütlesi büyük olduğundan aktarılan elektronların sürüklenme hareketliliği daha az olacak ve bu da elektriksel iletkenliğin azalmasına yol açacaktır. Bu azalma, akımın azalmasına ve iletim bandına enjeksiyonun azalmasına neden olacak, bu da elektronların iletim bandının ana minimumunda birikmesine, orijinal durumun restorasyonuna ve akımın artmasına yol açacaktır. Bunun sonucunda yüksek frekanslı akım dalgalanmaları meydana gelir.

Bu etki GaAs'ta gözlendi N 0,025 mm uzunluğunda bir numuneye beslendiğinde yazın. 10 8 Hz süreli 16 V voltaj darbesi. Salınım frekansı 10 9 Hz idi.

Hahn etkisi, sürüklenme hızının elektronların termal hızıyla karşılaştırılabilir olduğu alanlarda gözlenir.

Katılardaki eksitonlar

Uyarının doğası

Bir kristal bir elektromanyetik alan tarafından uyarılırsa, iletim bandındaki elektronlar değerlik bandına hareket ederek bir elektron-delik çifti oluşturur: iletim bandında bir elektron ve değerlik bandında bir delik. Delik pozitif bir yük olarak görünür, çünkü elektronötral değerlik bandında bir elektronun negatif yükünün bulunmaması pozitif bir yükün ortaya çıkmasına neden olur. Bu nedenle çift içinde bir çekim etkileşimi meydana gelir. Çekici enerji negatif olduğundan ortaya çıkan geçiş enerjisi, çiftteki elektron ve delik arasındaki çekici enerji miktarı kadar bant aralığının enerjisinden daha az olacaktır. Bu enerji şu şekilde yazılabilir:

Nerede - e– elektron yükü, ze- elektronun iletim bandına geçtiği atomun yükü, yani– elektron ve delik arasındaki mesafe, bir vakumdaki nokta yüklerin etkileşimlerine veya mikroskobik tipte bir dielektrik sabitine kıyasla elektron ve delik arasındaki etkileşimdeki azalmayı belirleyen e-katsayısı.

Elektron geçişi kristal kafesin nötr bir bölgesinde meydana gelirse, o zaman Z=1 ve deliğin yükü e zıt işaretli bir elektronun yükü. Bir bölgenin değerliği, kristal kafesin ana atomlarının değerliğinden bir farklıysa, o zaman Z=2.

Mikroskobik tip dielektrik sabiti e iki faktörle belirlenir:

· Bir elektron ile bir delik arasındaki etkileşim kristal ortamda meydana gelir. Bu, kristal kafesi polarize eder ve elektron ile delik arasındaki etkileşimin kuvveti zayıflar.

· Bir kristaldeki bir elektron ve bir delik, nokta yükleri olarak temsil edilemez, ancak yoğunlukları uzayda "yayılmış" yükler olarak temsil edilebilir. Bu, elektron ve delik arasındaki etkileşimin kuvvetini azaltır. Benzer bir durumu atomlarda da görmek mümkündür. Bir atomdaki elektronlar arasındaki etkileşim, bir elektron ile bir çekirdek arasındaki etkileşimden 5-7 kat daha azdır, ancak aralarındaki mesafeler karşılaştırılabilir olabilir. Bunun nedeni, yörüngedeki elektronların bir noktada yoğunlaşmaması, ancak aralarındaki etkileşimi azaltan bir dağılım yoğunluğu ile karakterize edilmesidir. Bir atomun çekirdeği, nokta yükü olarak iyi derecede bir doğrulukla temsil edilebilir, böylece elektronların çekirdekle etkileşimi, atomların varlığının stabilitesini sağlayan elektronlar arasındaki etkileşimden daha büyük olacaktır.

Bu iki faktörün etkisi farklı türdeki eksitonlar için farklıdır: Frenkel eksitonları (küçük yarıçap) ve Wannier eksitonları (büyük yarıçap).

Eksiton enerjisi ve yarıçapı

Eksiton bağlanma enerjisi elektron ile delik arasındaki mesafeye bağlıdır. Bir elektron ve bir delik, eksiton yarıçapına sahip bir yörüngede kütle merkezine göre hareket eder yani. Bir eksitonun kararlı varlığı için, eksiton yörüngesinde dalga sayısı kadar duran bir dalganın oluşması gerekir. N.. Oranı nereden alabilirsiniz:

Nerede R- Bir elektronun ve bir deliğin birbirine göre hareket miktarı. Hareket miktarı, elektronun ve deliğin bağıl hareketinin kinetik enerjisi T aracılığıyla ifade edilebilir: burada m, eksitonun azaltılmış kütlesidir.

Azaltılmış eksiton kütlesi, harmonik bir ortalama değer olarak elektronun ve deliğin etkin kütlelerinden oluşmalıdır. Deliğin kütlesi büyükse, eksitonun kinetik enerjisi veya deliğe göre elektron hareketinin kinetik enerjisi, elektron kütlesi tarafından belirlenmelidir. Bu yüzden

Elektronların ve deliklerin etkin kütleleri eşitse, azaltılmış eksiton kütlesi ½'ye eşittir; lokalize bir eksiton varsa, o zaman m h>>Ben ve azaltılmış eksiton kütlesi birliğe eşittir.

Ücretsiz bir heyecan için Z=1, m¢=1/2, eksiton enerjisi ve yarıçap eşittir

(8.7) .

Lokalize bir eksiton için Z=2, m¢=1 eksiton enerjisi ve yarıçapı eşittir

(8.8) .

Böylece, serbest eksiton seviyelerinin enerjisinin, lokalize bir eksitonun enerjisinden 8 kat daha az olduğu ve yarıçapın 4 kat daha büyük olduğu ortaya çıktı.

Gelen ışığın amplifikasyonunu incelemek için seviyelerin popülasyonunu bir şekilde tersine çevirmek gerekir. Onlar. Daha büyük bir enerji değerinin daha fazla sayıda atoma karşılık geldiğinden emin olun. Bu durumda, bir atom kümesinin ters (ters) düzey popülasyonuna sahip olduğunu söylüyorlar.

Seviyelerdeki atom sayısının oranı şuna eşittir:

Popülasyonun tersine çevrilmesi durumunda. Üssün sıfırdan büyük olması gerektiği sonucu çıkıyor - . Ancak . Bu nedenle üssün sıfırdan büyük olması için sıcaklığın negatif olması gerekir - .

Bu nedenle, tersine çevrilmiş düzey popülasyonuna sahip bir duruma bazen negatif sıcaklığa sahip bir durum denir. Ancak bu ifade koşulludur, çünkü sıcaklık kavramının kendisi denge durumlarına uygulanabilir ve tersine çevrilmiş nüfusa sahip bir durum, dengesizlik durumudur.

Popülasyonun tersine dönmesi durumunda maddeden geçen ışık güçlendirilecektir. Biçimsel olarak bu, Bouguer yasasında soğurma katsayısının negatif olacağı gerçeğine karşılık gelir. Onlar. ters çevrilmiş düzey popülasyonuna sahip bir dizi atom, negatif soğurma katsayısına sahip bir ortam olarak düşünülebilir.

Yani bir maddeyle ışığı güçlendirmek için bu maddenin seviyelerinin ters popülasyonunu yaratmamız gerekiyor. Yakut lazer örneğini kullanarak bunun nasıl yapıldığını görelim.

Yakut, bazı alüminyum atomlarının yerini krom atomlarının aldığı bir alüminyum oksittir. Bu yakut geniş bir elektromanyetik dalga frekansı spektrumuyla ışınlanır. Bu durumda krom iyonları uyarılmış duruma geçer (bkz. Şekil 4). Alüminyum iyonları bu konuda önemli bir rol oynamaz.

Enerji durumu, iyonların kristal kafesle etkileşimi nedeniyle bütün bir bandı temsil eder. Bu seviyeden krom iyonları için iki yol mümkündür.

1. Bir foton emisyonu ile enerjinin orijinal durumuna dönün.

2. Alüminyum kristal kafesin iyonları ile termal etkileşim yoluyla enerji ile yarı kararlı bir duruma geçiş.

Düzeydeki ömür, her zamanki gibi, uyarılmış durumdaki ömre eşittir - . Bir seviyeye kendiliğinden geçiş bir okla gösterilir ve yarı kararlı bir seviyeye geçiş bir okla gösterilir.

Hesaplamalar ve deneyler, geçiş olasılığının geçiş olasılığından çok daha büyük olduğunu göstermektedir. Ek olarak, enerjili yarı kararlı bir durumdan temel duruma geçiş, seçim kuralları tarafından yasaklanmıştır (seçim kuralları kesinlikle katı değildir, yalnızca geçişin daha büyük veya daha az olasılığını gösterir).

Bu nedenle yarı kararlı seviyedeki ömür, seviyedeki ömürden yüz bin kat daha fazladır.

Böylece, yeterince fazla sayıda krom atomu ile seviyede ters bir popülasyon meydana gelebilir - seviyedeki atomların sayısı, seviyedeki atomların sayısını aşacaktır; istediğimizi elde edebiliriz.

Bir seviyeden ana seviyeye kendiliğinden geçiş bir okla gösterilir.Bu geçiş sırasında ortaya çıkan foton, bir okla gösterilen bir sonraki fotonun uyarılmış emisyonuna neden olabilir. Bu başka bir tane vb. Onlar. bir foton çağlayanı oluşur.

Şimdi yakut lazerin teknik yapısını ele alalım.

Çapı mertebesinde ve uzunluğu 0 olan bir çubuktur. Çubuğun uçları birbirine kesinlikle paraleldir ve dikkatlice parlatılmıştır. Bir ucu ideal bir ayna, ikincisi ise gelen enerjiyi ileten yarı saydam bir aynadır.

Yakut çubuğun etrafına bir pompalama lambasının birkaç dönüşü - darbeli modda çalışan bir ksenon lamba - monte edilir.

Böylece çubuğun gövdesinde uyarılmış fotonlar oluştu. Yayılma yönü çubuğun ekseniyle küçük açılar yapan fotonlar, çubuğun defalarca yanından geçecek ve yarı kararlı krom atomlarının uyarılmış emisyonuna neden olacaktır. İkincil fotonlar birincil fotonlarla aynı yöne sahip olacaktır; çubuğun ekseni boyunca. Diğer yönden gelen fotonlar önemli bir basamak oluşturmayacak ve oyundan çıkacak. Işın şiddeti yeterli ise bir kısmı dışarı çıkar.

Yakut lazerler, dakikada birkaç atım tekrarlama oranıyla atımlı modda çalışır. Ayrıca içlerinde büyük miktarda ısı açığa çıktığı için yoğun bir şekilde soğutulmaları gerekir.

Şimdi bir gaz lazerinin, özellikle de bir helyum-neon lazerinin çalışmasını ele alalım.

Helyum ve neon gazlarının karışımını içeren bir kuvars tüpten oluşur. Helyum basınç altındadır ve neon da basınç altındadır; neon atomlarından yaklaşık 10 kat daha fazla helyum atomu vardır. Buradaki ana ışık yayan atomlar neon atomlarıdır ve helyum atomları, neon atomlarının ters popülasyonunun yaratılmasında destekleyici bir rol oynar.

Bu lazerde enerji pompalama, bir parıltılı deşarjın enerjisi kullanılarak gerçekleştirilir. Bu durumda helyum atomları uyarılır ve uyarılmış duruma geçer (bkz. Şekil 5). Helyum atomları için bu durum yarı kararlıdır, yani. ters optik geçiş seçim kuralları tarafından yasaklanmıştır. Bu nedenle helyum atomları uyarılmamış bir duruma geçebilir ve çarpışma sırasında enerjiyi neon atomlarına aktarabilir. Sonuç olarak neon atomları helyumun durumuna yakın bir uyarılmış duruma girer. Neon atomları hem parıltılı deşarj enerjisi hem de helyum atomlarıyla çarpışmalar nedeniyle heyecanlanır.

Ayrıca tüpün boyutları seçilerek seviye boşaltılır, böylece seviyede bulunan neon atomları duvarlarla çarpışarak ana seviyeye hareket ederek kendilerine enerji aktarır.

Bu süreçlerin bir sonucu olarak neon için seviye popülasyonu tersine çevrilir. Seviyeden seviyeye geçmek mümkündür.

Bu lazerin ana yapısal elemanı, çapı yaklaşık 0,000 cm olan bir kuvars gaz deşarj tüpüdür. Elektrik deşarjı oluşturmak için elektrotlar içerir. Tüpün uçlarında düzlemsel paralel aynalar vardır, bunlardan biri öndeki yarı saydamdır. Amplifikasyon koşulları yalnızca lazer eksenine paralel yayılan fotonlar için ortaya çıkar.

Lazerin çalışma frekansı geçiştir. Seçim kuralları yaklaşık otuz geçişe izin verir. Bir frekansı vurgulamak için aynalar çok katmanlı hale getirildi ve yalnızca belirli bir dalgayı yansıtacak şekilde ayarlandı. Dalga boyunda dalgalar yayan lazerler. Ancak en yoğun geçiş dalga boyundadır, yani. spektrumun kızılötesi bölgesinde.

Gaz lazerleri sürekli modda çalışır ve yoğun soğutma gerektirmez.

Lazer radyasyonunun ayırt edici özellikleri şunlardır:

1. Zamansal ve mekansal tutarlılık.

2. Sıkı tek renklilik.

3. Büyük güç

4. Lazer ışınının darlığı.

Ders 15. (2 saat)

Ders 1 2 .

Işığın doğası. Kendiliğinden ve uyarılmış emisyon. Enerji seviyelerinin popülasyonunun tersine çevrilmesi. Lazer çalışma prensibi.

1. Atomlar, enerji yaymadan keyfi olarak uzun bir süre boyunca ayrık enerji değerlerine sahip sabit durumlarda bulunabilir.

1.1. Bir durağan durumdan diğer bir durağan duruma geçişe, bir miktar elektromanyetik radyasyonun emilmesi veya yayılması eşlik eder.

1.2. Bir kuantum elektromanyetik radyasyon emildiğinde, elektron daha yüksek enerji değerine sahip bir seviyeye hareket eder ve atomun kendisi de yalnızca 10-8 saniye kalabileceği daha yüksek enerjili uyarılmış duruma geçer.

1.2.1. Daha yüksek bir enerji seviyesine geçiş için kesin olarak tanımlanmış bir enerji değeri gerektiğinden, atomlar elektromanyetik radyasyon kuantumları tarafından uyarıldığında, yalnızca enerjisi başlangıç ve son durumların enerjileri arasındaki farka eşit olan kuantumlar emilir.

1.2.2. Bir madde sürekli bir spektruma sahip radyasyonla uyarılırsa, o zaman yalnızca enerjileri elektronun daha yüksek enerji seviyelerine geçişinin enerjilerine karşılık gelen kuantumlar emilecektir. Bu radyasyonun madde içerisinden geçmesi sonucunda bu radyasyonun spektrumunda koyu çizgiler oluşur. emilim spektrumu .

1.3. Bir atomun temel duruma geçişi, doğrudan veya bir elektronun daha düşük enerjili seviyelere ardışık hareketi yoluyla gerçekleşebilir.

1.4. Bir elektronun daha düşük enerjili bir seviyeye geçişine, enerjisi başlangıç ve son durum seviyelerinin enerjileri arasındaki farka eşit olan bir kuantum elektromanyetik radyasyonun emisyonu eşlik eder.

1.5. Oldukça fazla sayıda uyarılmış durum olabileceğinden, yayılan kuantumların farklı enerjileri ve dolayısıyla farklı dalga boyları vardır.

1.6. Uyarılmış durumların ayrık enerji değerleri olduğundan, yayılan kuantumların toplanması bir çizgi spektrumu oluşturur.

1.6.1. Elektronların yüksek enerji seviyelerinden belirli bir seviye formuna geçişleri çizgi dizisi parametreleri belirli bir elementin karakteristiği olan ve başka bir elementin benzer serisinin parametrelerinden farklı olan spektrumda.

1.6.2. Serilerin bütünlüğü bir spektrum oluşturur karakteristik radyasyon Bu maddenin kesin bir özelliği olan madde.

1.6.3. Spektral analiz yöntemleri, karakteristik spektrumun parametrelerinin ölçümlerine dayanarak oluşturulmuştur.

2. Dış etkinin yokluğunda uyarılmış bir atom tarafından kuantum emisyonu genellikle kendiliğinden meydana gelir ve ortaya çıkan radyasyona denir. kendiliğinden emisyon .

2.1. Kendiliğinden emisyonda her kuantum rastgele ortaya çıkar ve kendi salınım fazına sahiptir. kendiliğinden emisyonun zamansal tutarlılığı yoktur .

2.2. Kuantum teorisine göre olasılık pν Enerjili durumdaki bir atomun bulunması εν Boltzmann dağılımına uyar

bu, atoma sağlanan enerjinin belirli bir değeri için, bir elektronun belirli bir enerji seviyesini işgal etme yeteneğinin belirlenmesine olanak tanır.

2.3. Bir enerji seviyesinde aynı anda bulunan elektronların sayısına denir. düzey nüfus .

2.4. Dış etkilerin yokluğunda, belirli bir sıcaklıktaki denge seviyeleri, kuantumun kendiliğinden yayılmasıyla korunur.

3. Kendiliğinden emisyon spektrumunun türü, bu spektrumu yayan atomun durumuna bağlıdır.

3.1. İzole edilmiş atomlar radyasyon yayar. atomik spektrum .

3.1.1. Hidrojen atomu ve hidrojen benzeri iyonlar için atomik spektrumun bileşimi, Balmer-Rydberg formülü kullanılarak kolayca hesaplanabilir.

3.1.2. Diğer atomlar ve iyonlar için atom spektrumlarının hesaplanması daha karmaşık bir iştir.

3.2. Atomlar bir molekül oluşturuyorsa, o zaman moleküler spektrum (çizgili menzil ). Bu spektrumdaki her bant, yakın aralıklı spektral çizgilerin bir koleksiyonudur.

3.2.1. Atom spektrumunda olduğu gibi, moleküler spektrumdaki her çizgi, molekülün enerjisindeki bir değişimin sonucudur.

3.2.2. Bir molekülün enerjisi şu şekilde temsil edilebilir:

molekülün öteleme hareketinin enerjisi nerede; – molekülün dönme hareketinin enerjisi; – bir molekülün atomlarının birbirine göre titreşim hareketinin enerjisi; – molekülün elektron kabuğunun enerjisi; – molekülün çekirdek içi enerjisi.

3.2.3. Bir molekülün öteleme hareketinin enerjisi nicelendirilmez ve değişiklikleri moleküler spektrumun ortaya çıkmasına yol açamaz ve moleküler spektrum üzerindeki etki ilk yaklaşım olarak göz ardı edilebilir.

3.2.4. Bohr'un frekans kuralına göre

burada , molekülün enerjisinin karşılık gelen kısımlarındaki değişikliklerdir.

3.2.5. Çizgilerin oluşumu şu gerçeğinden kaynaklanmaktadır:

3.2.6. Moleküler spektrumlar oldukça karmaşık bir görünüme sahiptir.

3.2.6.1. Yalnızca bir dönme seviyesinden başka bir dönme seviyesine geçişin neden olduğu spektrum ( dönme spektrumu ), uzak kızılötesi bölgede bulunur (dalga boyu 0,1 ¸ 1 mm).

3.2.6.2. Yalnızca bir titreşim seviyesinden diğer bir titreşim seviyesine geçişin neden olduğu bir spektrum ( titreşim spektrumu ), kızılötesi bölgede bulunur (dalga boyu 1 ¸ 10 µm).

3.2.6.3. Yalnızca bir elektronik seviyeden diğer elektronik seviyeye geçişin neden olduğu spektrum ( atom spektrumu ), spektrumun görünür, ultraviyole ve x-ışını bölgelerinde bulunur (dalga boyu 0,8 µm ¸ 10-10 m).

3.2.6.4. Bir molekülün titreşim hareketinin enerjisi değiştiğinde, dönme hareketinin enerjisi de değişebilir. Bu durumda ortaya çıkar titreşim-dönme spektrumu Bu, her bir çizgisine yakın aralıklı dönme geçiş çizgilerinin eşlik ettiği bir titreşim spektrumudur.

3.2.6.5. Bir molekülün elektronik seviyeleri arasındaki geçişlere sıklıkla titreşim seviyeleri arasındaki geçişler eşlik eder. Sonuç, adı verilen bir spektrumdur. elektronik titreşimli ve titreşim geçişlerine dönme geçişleri eşlik ettiğinden, elektronik titreşim spektrumundaki titreşim seviyeleri bulanık bantlar olarak temsil edilir.

3.3. Raman saçılması ( bireysel çalışma).

4. Harici bir elektromanyetik radyasyon kuantumunun etkisi altında atomların daha heyecanlı bir durumdan daha az uyarılmış bir duruma geçişine denir. uyarılmış emisyon .

4.1. Uyarılmış emisyonun olasılığı, uyarılmış atomlara etki eden kuantumun enerjisine bağlıdır. Uyarılmış emisyonun ortaya çıkma olasılığının maksimumu, heyecan verici kuantumun enerjisinin geçiş enerjisine eşit olması olacaktır.

4.2. Bir kuantum uyarılmış atomlardan oluşan bir sistemden geçtiğinde, enerjisi heyecan verici kuantumun enerjisine eşit olan bir kuantum akışı ortaya çıkar ( optik geliştirme etkisi ).

4.3. Işığın bir maddede soğurulması Bouguer-Lambert yasasına göre gerçekleşir.

doğal emilim oranı nerede ve X– emici tabakanın kalınlığı.

Maddenin içinden geçerken kuantum akışındaki artış benzerdir negatif soğurma katsayısı (negatif ışık emilimi ).

4.4. Negatif soğurma katsayısına sahip bir ortam için Bouguer-Lambert-Fabricant yasası geçerlidir

Katman kalınlığının artmasıyla ışık yoğunluğu keskin bir şekilde artar.

4.5. Soğurma katsayısı negatif olan ortama denir aktif ortam .

5. İki enerji seviyesi arasında üç tür geçiş mümkündür

bir kuantumun emilmesi üzerine bir elektronun daha yüksek bir enerji durumuna geçişi (1); bir elektronun daha düşük bir enerji durumuna kendiliğinden geçişi (2); bir elektronun daha düşük enerji durumuna zorunlu geçişi (3).

5.1. Uyarılmış seviyedeki elektronların sayısı Boltzmann dağılımına uyar ve denir. düzey nüfus .

5.2. Olağan radyasyon şemasıyla nüfus N yüksek enerji seviyesi, düşük enerji seviyesindeki nüfustan daha azdır.

5.3. Kuantum soğurma olaylarının sayısı popülasyonla orantılıdır N 1 daha az yüksek enerji seviyesi ve emisyon olaylarının sayısı nüfusla orantılıdır N 2 daha yüksek enerji seviyesi.

5.4. Bouguer-Lambert kanunundaki doğal soğurma oranı, soğurma ve emisyon olaylarının sayısı arasındaki farkla orantılıdır.

Nerede k– orantılılık katsayısı.

5.5. Geleneksel bir radyasyon şemasında elektronların Boltzmann dağılımı kendiliğinden geçişlerden kaynaklanmaktadır ().

5.6. Atom sisteminin yoğun uyarılması nedeniyle ( pompalama ) Boltzmann dağılımının böyle bir ihlaline ulaşmak mümkündür ki N 2 daha fazla olacak N 1 (ters nüfus ). Daha sonra doğal soğurma oranı sıfırdan küçük olur ve Bouguer-Lambert-Fabricant yasasını elde ederiz.

6. Uyarılmış emisyonun meydana gelmesi lazerler .

6.1. Başlangıçta, uyarılmış emisyon elde etmek için, kristal kafesi bir Cr karışımı içeren yakutta üç seviyeli bir şema kullanıldı ve dar bir çift ek seviye oluşturuldu. İÇİNDE heyecanlı durumların bölgesinde.

6.1.1. Bir atom sistemi bir ksenon lambanın ışığıyla uyarıldığında ( optik pompalama ) kuantayı (1) emerken çok sayıda elektron yer seviyesinden aktarılır A heyecanlı seviyelere C Ve D .

6.1.2. Bu seviyelerden gelen elektronlar, radyasyon olmadan kendiliğinden geçişler (2) yoluyla daha düşük bir enerji seviyesine yerleşirler. İÇİNDE , üzerinde ters bir popülasyon yaratıyor. Geçiş enerjisi kristal kafese aktarılır ve maddenin sıcaklığı artar.

6.1.3. Ters B düzeyinden A ana düzeyine geçişler, ters düzey ile ana düzey arasındaki enerji farkına karşılık gelen bir enerji ile kuantumun etkisi altında gerçekleştirilir.

6.2. Lazer donanım devresi bir çubuktur A Etkin maddeden yapılmış, uçları iki aynayla sınırlanmış - opak İÇİNDE ve yarı saydam İLE.

6.2.1. Aktif maddenin pompalanmasından sonra, ters seviyeden zemin seviyesine ilk geçiş, lazer radyasyonunun oluşma sürecini tetikleyen bir kuantum oluşumuna yol açar.

6.2.2. Bir kuantumun aktif ortamda yayılması zorunlu geçişlerin başlatılmasına yol açar. Bouguer-Lambert-Fabricant yasasına göre çubuk boyunca yayılan kuantumlar en yüksek verime sahiptir.

6.2.3. Yarı saydam bir aynadan yansıtıldığında, lazer radyasyonu olan kuantum akışının bir kısmı aktif ortamı terk eder. Kuantum akışının geri kalanı, zorunlu geçişleri başlatmak için aktif ortama geri döner.

6.2.4. Yansıtıcı aynaların kavisli yüzeyi kullanılarak kuantanın yayılma yönünün kristal ekseninden hafif bir sapması ortadan kaldırılır. İÇİNDE Ve İLE.

6.2.5. Aktif ortamdan tekrar tekrar kuantum geçişi başlatıldığında kuantum amplifikasyonunun etkisi önemli ölçüde artar.

6.2.6. Kromun ters seviyesi iki alt seviyeden oluşur ve bu nedenle bir yakut lazerin radyasyonu iki dalga boyuna (0,6927 nm ve 0,6943 nm) sahip kuantumlardan oluşur.

7. Şu anda lazerlerde aktif ortam olarak aşağıdakiler kullanılmaktadır:

katılar (yakut; neodimyumla aktifleştirilmiş itriyum alüminyum garnet; neodimyumla aktifleştirilmiş cam); gazlar ve gaz karışımları (N2; CO; CO2; metal buharları); sıvılar (organik boyaların çözeltileri); yarı iletkenler.

7.1. Katılarda lazer radyasyonu, safsızlık atomlarının enerji seviyeleri arasındaki geçişler sırasında meydana gelir. 1 kW'a kadar güçte 0,35¸1,06 mikron dahilinde dalga boyu.

7.2. Gazlardaki lazer radyasyonu çoğunlukla farklı elektronik durumlar (N2 lazer, excimer lazerler) arasındaki elektronik-titreşim geçişleri sırasında veya bir elektronik durum (CO2-, CO-lazerler) içindeki titreşim-dönme geçişleri sırasında meydana gelir. 15 kW'a kadar güçle 5¸11 mikron dalga boyu.

7.3. Boyaların enerji seviyeleri arasındaki elektronik geçişler sırasında sıvılardaki lazer radyasyonu. 1,5 W'a kadar güçte 0,2¸5 mikron dahilinde dalga boyu. Dalga boyunun düzgün ayarlanması mümkündür.

7.4. Yarı iletken lazerlerde popülasyonun tersine çevrilmesi, ayrık seviyeler arasında değil, yarı iletken bir kristalin değerlik bantlarındaki durumlar arasındaki geçişlerle oluşturulur. 0,5 W'a kadar güçte 0,75¸30 mikron dahilinde dalga boyu.

8. Lazer radyasyonunun temel özellikleri şunlardır:

Radyasyonun uzaysal ve zamansal tutarlılığı

İyi monokromatik radyasyon

Düşük ışın sapması

Gaz lazerleri için 0,5¸10 mrad;

Katı hal lazerleri için 0,2¸5 mrad.

Yüksek güç yoğunluğu

Sistem dış çevre ile termodinamik denge durumundaysa, herhangi bir atomun bir enerji seviyesinde olma olasılığı şu faktörlerle karakterize edilir: Sistemi oluşturan toplam atom sayısı ise, o zaman enerji seviyelerinde yaşayan atomların sayısı yani bu seviyelerin nüfusu eşittir

Burada bu seviyelerin istatistiksel ağırlıkları (yozlaşma dereceleri), yani belirli bir enerji seviyesi için farklı durumların veya kuantum sayıları kümelerinin sayısı yer almaktadır.

Sonuç olarak, bu enerji seviyelerindeki popülasyonların oranı şu ifadeyle belirlenir:

Dejenere olmayan durumlar durumunda, yani elimizde

O zaman termodinamik dengede, seviye popülasyonlarının oranıyla ifade edilen nüfus ve sıcaklık şuna eşit olacaktır:

Termodinamiğin ikinci yasasına göre sistem her zaman dengeye ulaşma eğilimindedir ve herhangi bir dış etkinin ortaya çıkması halinde

termodinamik denge durumundan (örneğin, optik pompalamadan sonra yakuttaki aktivatör atomlarının durumu), daha sonra sistem, enerjiyi yeniden dağıtarak kendisi yeni bir termodinamik dengeye geçecektir. Tipik olarak sistemi denge durumuna döndüren bu tür işlemlere gevşeme işlemleri denir. Sistemin sıcaklığının ifadesini enerji seviyeleri popülasyonları aracılığıyla analiz edelim.

1. eğer tüm atomlar esasen kararlı bir durumdaysa.

2. Nüfus, yani düşük enerji seviyeleri, yüksek olanlardan daha yüksek bir nüfusa sahipse. Sistemin bu durumları bir denge durumuna yaklaşır.

3. Eğer dış bir etkinin sonucu olarak sistemdeki parçacıkları yüksek enerji seviyelerindeki popülasyonun düşük olanlardan daha fazla olmasını sağlayacak şekilde yeniden dağıtmayı başardıysak, yani bu durumun aşağıdakilere karşılık geldiğini doğrulamak kolaydır: negatif sıcaklık değeri Sistemin bu durumuna ters popülasyonlu durum denir. Bununla birlikte, ters çevrilmiş bir popülasyonda Boltzmann dağılımının geçerli olmadığı dikkate alınmalıdır, dolayısıyla negatif sıcaklığın belirlenmesi yalnızca dengesizlik durumunun belirlenmesi olarak değerlendirilebilir.

Paylaşmak: