Enerji səviyyələrinin populyasiyaları üçün tənliklər. Enerji səviyyələrinin tərs populyasiyası Səviyyənin tərs əhalisinin yaradılması
Radiasiyanın maddədən keçməsi. Səviyyələrin tərs populyasiyası. Enerji səviyyələri olan iki səviyyəli mühiti yenidən nəzərdən keçirin Və . Tezliyə malik monoxromatik şüalanma bu mühitə düşərsə
sonra bir məsafəyə yayıldıqda dx spektral enerji sıxlığının dəyişməsi həm rezonans udma, həm də sistemin atomlarının induksiya (stimullaşdırılmış) emissiyası ilə əlaqəli olacaqdır. Stimullaşdırılmış emissiyaya görə, spektral enerji sıxlığı şüada artır və bu enerji artımı aşağıdakılara mütənasib olmalıdır:
.
Burada ölçülü mütənasiblik əmsalı var.
Eynilə, foton udma prosesləri səbəbindən şüadakı spektral enerji sıxlığı azalır:
.
qatlama Və , tam dəyişikliyi tapırıq enerji sıxlığı:
Eynşteyn əmsallarının bərabərliyini nəzərə alaraq və udma əmsalının daxil edilməsi a, bu tənliyi formada yazırıq
Bu diferensial tənliyin həlli formaya malikdir
|
|
.Bu düstur spektral enerji sıxlığını verir u qalın bir maddə qatından keçərkən fotonlar şüasında x, nöqtəyə uyğun gəldiyi yer x = 0 .
Boltzman paylanmasına uyğun olaraq termodinamik tarazlıq şəraitində, , ona görə də udma əmsalı a müsbətdir () :
Beləliklə, şüalanma enerjisinin sıxlığı (6.18)-dən göründüyü kimi, maddədən keçdikcə azalır, yəni işıq udulur. Bununla birlikdə, içində bir sistem yaratsanız , onda udma əmsalı mənfi olacaq və zəifləmə olmayacaq, amma artan intensivlik Sveta. Onun adlandırıldığı mühitin vəziyyəti səviyyələrin tərs əhalisi olan dövlət, və ətraf mühitin özü sonra adlanır aktiv mühit. Səviyyələrin tərs populyasiyası Boltzmann tarazlıq paylanmasına ziddir və sistem termodinamik tarazlıq vəziyyətindən çıxarılarsa, süni şəkildə yaradıla bilər.
Bu, koherent optik şüalanmanın gücləndirilməsi və əmələ gəlməsinin fundamental imkanlarını yaradır və praktikada belə şüalanma mənbələrinin - lazerlərin işlənib hazırlanmasında istifadə olunur.
Lazerlə işləmə prinsipi. Lazerin yaradılması bəzi maddələrdə (aktiv mühit) səviyyələrin populyasiyasını dəyişdirmək üsulları aşkar edildikdən sonra mümkün olmuşdur. Spektrin görünən bölgəsində ilk praktik generator yaqut əsasında (ABŞ-da Mayman (1960)) yaradılmışdır. Yaqut kristal qəfəsdir, kiçik ( 0,03 % – 0,05 % ) xrom ionlarının qarışığı (). Şəkildə. Şəkil 6.1 xromun enerji səviyyələrinin diaqramını göstərir ( üç səviyyəli mühit). Geniş səviyyə görünən işığın yaşıl-mavi bölgəsində geniş tezlik diapazonu olan güclü qaz boşaltma lampasının işığı ilə xrom ionlarını həyəcanlandırmaq üçün istifadə olunur - nasos lampaları. Xarici mənbədən gələn nasos enerjisi hesabına xrom ionlarının həyəcanlanması oxla təsvir edilmişdir .
düyü. 6.1. Aktiv üç səviyyəli mühitin diaqramı (ruby)
Qısa müddətli səviyyədən elektronlar sürətli ( c) səviyyəyə qeyri-radiativ keçid (mavi ox ilə təsvir olunur) . Bu vəziyyətdə buraxılan enerji fotonlar şəklində yayılmır, ancaq yaqut kristalına ötürülür. Bu vəziyyətdə, yaqut qızdırılır, buna görə lazer dizaynı onun soyumasını təmin edir.
Uzun ömürlü darboğazın ömrü məbləğindədir c, yəni genişzolaqlı səviyyədən 5 dəfə çox . Kifayət qədər nasos gücü ilə, səviyyədəki elektronların sayı (adlanır metastabil) səviyyəsindən artıq olur , yəni “işləyən” səviyyələr arasında tərs populyasiya yaradılır və .
Bu səviyyələr arasında kortəbii keçid zamanı yayılan foton (kesikli ox ilə təsvir olunur) əlavə (stimullaşdırılmış) fotonların emissiyasına səbəb olur - (keçid ox ilə göstərilir), bu da öz növbəsində səbəb olur induksiya edilmişdir dalğa uzunluğuna malik fotonların bütün kaskadının emissiyası.
Misal 1. Termodinamik tarazlıq şəraitində otaq temperaturunda yaqut kristalında iş səviyyələrinin nisbi populyasiyasını təyin edək.
Yaqut lazerin yaydığı dalğa uzunluğuna əsasən enerji fərqini tapırıq:
.
Otaq temperaturunda T = 300 K bizdə:
Boltzmann paylanmasından indi belə çıxır
.
Səviyyələrin tərs populyasiyası ilə aktiv mühitin həyata keçirilməsi döyüşün yalnız yarısıdır. Lazerin işləməsi üçün həm də işıq yaratmaq, yəni istifadə etmək üçün şərait yaratmaq lazımdır müsbət rəy. Aktiv mühitin özü yalnız ötürülən radiasiyanı gücləndirə bilər. Lasing rejimini həyata keçirmək üçün stimullaşdırılmış radiasiyanı sistemdəki bütün itkiləri kompensasiya edəcək şəkildə gücləndirmək lazımdır. Bunun üçün aktiv maddə içəriyə yerləşdirilir optik rezonator, bir qayda olaraq, biri şəffaf olan və rezonatordan radiasiyanın çıxarılmasına xidmət edən iki paralel güzgü tərəfindən əmələ gəlir. Struktur olaraq, ilk yaqut lazerləri uzunluğu olan silindrik kristallardan istifadə etdi 40 mm və diametri 5 mm. Uçları bir-birinə paralel olaraq cilalanmış və rezonator güzgü kimi xidmət etmişdir. Uclarından biri gümüşləşib ki, əksetmə əmsalı vahidə yaxın, digər ucu isə şəffaf olub, yəni əksetmə əmsalı vahiddən az olub və rezonatordan şüa çıxarmaq üçün istifadə olunub. Həyəcan mənbəyi yaqutun ətrafına bir spiral bağlayan güclü impulslu ksenon lampa idi. Yaqut lazerinin cihazı Şek. 1-də sxematik şəkildə göstərilmişdir. 6.2.
düyü. 6.2. Ruby lazer cihazı: 1- yaqut çubuq; 2- impulslu qaz boşaltma lampası; 3- şəffaf güzgü; 4- güzgü; 5- stimullaşdırılmış emissiya
Kifayət qədər nasos lampası gücü ilə xrom ionlarının əksəriyyəti (təxminən yarısı) həyəcanlı vəziyyətə keçir. Enerji ilə işləyən səviyyələr üçün əhalinin inversiyasına nail olunduqdan sonra Və , Bu səviyyələr arasında keçidə uyğun gələn ilk kortəbii yayılan fotonlar üstünlük verilən yayılma istiqamətinə malik deyil və yaqut kristalında bütün istiqamətlərdə yayılan stimullaşdırılmış emissiyaya səbəb olur. Xatırladaq ki, stimullaşdırılmış emissiyanın yaratdığı fotonlar hadisə fotonları ilə eyni istiqamətdə uçur. Hərəkət istiqamətləri kristal çubuqun oxu ilə kiçik bucaqlar təşkil edən fotonlar onun uclarından çoxlu əks olunma hiss edirlər. Digər istiqamətlərdə yayılan fotonlar yaqut kristalından yan səthindən çıxır və çıxan radiasiyanın formalaşmasında iştirak etmir. Rezonatorda belə yaranır dar bulka işıq və fotonların aktiv mühitdən təkrar keçidi getdikcə daha çox foton emissiyasına səbəb olur və çıxış şüasının intensivliyini artırır.
Yaqut lazerlə işıq radiasiyasının yaranması Şek. 6.3.
düyü. 6.3. Yaqut lazerindən radiasiyanın yaranması
Beləliklə, optik rezonator iki funksiyanı yerinə yetirir: birincisi, müsbət rəy yaradır və ikincisi, müəyyən bir məkan quruluşu ilə dar yönəldilmiş şüa şüası əmələ gətirir.
Nəzərdən keçirilən üç səviyyəli sxemdə, işçi səviyyələri arasında populyasiya inversiyasını yaratmaq üçün əhəmiyyətli enerji xərcləri tələb edən atomların kifayət qədər böyük bir hissəsini həyəcanlandırmaq lazımdır. Daha effektivdir dörd səviyyəli sxem, bərk vəziyyətdə olan lazerlərdə, məsələn, neodimium ionlarından istifadə etməklə istifadə olunur. Neytral atomlarda ən çox yayılmış qaz lazerində - helium- neon lazer - dörd səviyyəli sxem üzrə generasiya şərtləri də yerinə yetirilir. Belə bir lazerdə aktiv mühit inert qazların qarışığıdır - helium və neon əsas enerji ilə (biz bunu sıfır səviyyə kimi qəbul edirik). Pompa elektrik qazının boşaldılması prosesində həyata keçirilir, bunun sayəsində atomlar enerji ilə həyəcanlı vəziyyətə keçir. . Səviyyə neon atomlarında (şək. 6.4) səviyyəyə yaxındır heliumda və helium atomları neon atomları ilə toqquşduqda, həyəcan enerjisi radiasiya olmadan ikinciyə effektiv şəkildə ötürülə bilər.
düyü. 6.4. Səviyyə diaqramı Yox- Ne-lazer
Beləliklə, səviyyə neon aşağı səviyyədən daha çox məskunlaşdığı ortaya çıxır . Bu əməliyyat səviyyələri arasında keçid dalğa uzunluğu ilə radiasiya ilə müşayiət olunur 632,8 nm, sənayedə əsas olan Ne-Ne- lazerlər. Səviyyədə neon atomları uzun müddət qalmır, tez əsas vəziyyətinə qayıdır. Qeyd edək ki, səviyyə neon son dərəcə əhəmiyyətsiz bir şəkildə məskunlaşır və buna görə də arasında tərs populyasiya yaratmaq Və az sayda helium atomunu həyəcanlandırmaq lazımdır. Bu, dörd səviyyəli generasiya sxemi üçün xarakterik olan quraşdırmanın həm nasosu, həm də soyudulması üçün daha az enerji tələb edir. Lazer lasing üçün, helium yalnız nasos prosesi üçün istifadə edilməklə, həm görünən, həm də IR diapazonlarında radiasiya istehsal edən digər neon səviyyələrindən istifadə edilə bilər (Şəkil 6.4-də göstərilmir).
Misal 2. Səviyyənin nisbi tarazlıq əhalisini tapaq otaq temperaturunda neonda.
Bu problem əvvəlkindən yalnız ədədi qiymətlərlə fərqlənir. Müxtəliflik üçün elektron voltlarda hesablamalar aparaq. Əvvəlcə Boltsman sabitini bu vahidlərlə ifadə edək:
belə ki, otaq temperaturunda
.
İndi asanlıqla tapa bilərik
Praktik nöqteyi-nəzərdən belə kiçik bir rəqəm sıfırdan fərqlənmir, buna görə də zəif nasosla belə, səviyyələr arasında tərs populyasiya yaradılır. Və .
Lazer şüalanması xarakterik xüsusiyyətlərə malikdir:
yüksək temporal və məkan koherensiyası (monoxromatik şüalanma və aşağı şüa divergensiyası);
yüksək spektral intensivlik.
Radiasiya xüsusiyyətləri lazerin növündən və iş rejimindən asılıdır, lakin məhdudlaşdırıcı dəyərlərə yaxın olan bəzi parametrləri qeyd etmək olar:
Sürətli prosesləri öyrənərkən qısa (pikosaniyə) lazer impulsları əvəzolunmazdır. Hər biri bir milyon kVt olan bir neçə atom elektrik stansiyasının gücünə bərabər olan bir impulsda son dərəcə yüksək zirvə gücü (bir neçə GW-a qədər) inkişaf etdirilə bilər. Bu vəziyyətdə radiasiya dar bir konusda cəmləşə bilər. Bu cür şüalar, məsələn, retinanı gözün dibinə "qaynaqlamağa" imkan verir.
Lazer növləri.Ümumi fizika kursunun bir hissəsi olaraq, həddindən artıq müxtəlifliyə görə müxtəlif növ lazerlərin spesifik xüsusiyyətləri və texniki tətbiqləri üzərində ətraflı dayana bilmərik. Biz özümüzü aktiv mühitin xüsusiyyətləri və nasos üsulları ilə fərqlənən lazer növlərinin kifayət qədər qısa icmalı ilə məhdudlaşdıracağıq.
Bərk hal lazerləri. Onlar adətən impuls olur; ilk belə lazer yuxarıda təsvir edilən yaqut lazer idi. İşləyən maddə kimi neodim olan şüşə lazerlər məşhurdur. Onlar dalğa uzunluğunda işıq yaradırlar 1,06 µm, ölçüləri böyükdür və TW-ə qədər pik gücə malikdir. Nəzarət olunan termonüvə sintezi üzərində təcrübələr üçün istifadə edilə bilər. Buna misal olaraq ABŞ-dakı Livermore Laboratoriyasında nəhəng Şiva lazerini göstərmək olar.
Çox yayılmış lazerlər dalğa uzunluğunda infraqırmızı diapazonda yayılan neodimiumlu itrium alüminium qranatdır (Nd:YAG). µm. Onlar həm davamlı nəsil rejimində, həm də impuls rejimində, bir neçə kHz-ə qədər nəbz təkrarlama tezliyi ilə işləyə bilər (müqayisə üçün: yaqut lazerdə bir neçə dəqiqədə 1 nəbz var). Onlar elektron texnologiyada (lazer texnologiyası), optik diapazonda, tibbdə və s.
Qaz lazerləri. Bunlar adətən davamlı lazerlərdir. Onlar şüanın düzgün məkan quruluşu ilə fərqlənirlər. Misal: Helium-neon lazer dalğa uzunluqlarında işıq yaradan 0,63 , 1,15 Və 3.39 µm və mVt gücə malikdir. Texnologiyada geniş istifadə olunur - kVt və dalğa uzunluğunda gücə malik lazer 9,6 Və 10,6 µm. Qaz lazerlərini vurmağın bir yolu elektrik boşalmasıdır. Aktiv qaz mühitinə malik müxtəlif lazerlər kimyəvi və eksimer lazerlərdir.
Kimyəvi lazerlər. Populyasiya inversiyası hidrogen (deyterium) və flüor kimi iki qaz arasında kimyəvi reaksiya nəticəsində yaranır. Ekzotermik reaksiyalara əsaslanır
.
Molekullar HF artıq rəqslərin həyəcanı ilə doğulur, bu da dərhal tərs populyasiya yaradır. Alınan işçi qarışığı səsdən yüksək sürətlə optik rezonatordan keçir və orada yığılmış enerjinin bir hissəsi elektromaqnit şüalanma şəklində buraxılır. Rezonator güzgülər sistemindən istifadə edərək, bu şüalanma dar bir şüaya yönəldilir. Belə lazerlər yüksək enerji yayırlar (daha çox 2 kJ), nəbz müddəti təqribən. 30 ns, gücə qədər W. Səmərəlilik (kimyəvi) çatır 10 % , adətən digər lazer növləri üçün isə - faizin fraksiyaları. Yaradılmış dalğa uzunluğu - 2,8 µm(3.8 µm lazerlər üçün DF).
Çoxsaylı kimyəvi lazer növləri arasında hidrogen flüorid (deyterium) lazerləri ən perspektivli kimi tanınır. Problemlər: müəyyən dalğa uzunluğuna malik hidrogen flüorid lazerlərinin şüalanması həmişə atmosferdə mövcud olan su molekulları tərəfindən aktiv şəkildə səpilir. Bu, radiasiyanın parlaqlığını əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Deyterium flüorid lazeri atmosferin demək olar ki, şəffaf olduğu dalğa uzunluğunda işləyir. Bununla belə, bu cür lazerlərin xüsusi enerji buraxılması lazerlərə nisbətən bir yarım dəfə azdır HF. Bu o deməkdir ki, onları kosmosda istifadə edərkən daha böyük miqdarda kimyəvi yanacaq çıxarılmalı olacaq.
Eksimer lazerlər. Eksimer molekulları yalnız həyəcanlı vəziyyətdə ola bilən diatomik molekullardır (məsələn, ) - onların həyəcansız vəziyyəti qeyri-sabit olur. Eksimer lazerlərin əsas xüsusiyyəti bununla bağlıdır: eksimer molekullarının əsas vəziyyəti doldurulmamışdır, yəni aşağı işləyən lazer səviyyəsi həmişə boşdur. Pompa, atomların əhəmiyyətli bir hissəsini eksimer molekullarına birləşdirildiyi həyəcanlı vəziyyətə köçürən impulslu elektron şüası ilə həyata keçirilir.
Əməliyyat səviyyələri arasında keçid genişzolaqlı olduğundan, generasiya tezliyinin tənzimlənməsi mümkündür. Lazer UV bölgəsində tənzimlənə bilən radiasiya yaratmır ( nm) və yüksək effektivliyə malikdir ( 20 % ) enerji çevrilməsi. Hal-hazırda, bir dalğa uzunluğu ilə eksimer lazerlər 193 nm buynuz qişanın səthi buxarlanması (ablasiyası) üçün oftalmoloji cərrahiyyədə istifadə olunur.
Maye lazerlər. Maye vəziyyətdə olan aktiv maddə homojendir və soyutma üçün dövriyyəyə imkan verir ki, bu da bərk cisimli lazerlərə nisbətən üstünlüklər yaradır. Bu, impulslu və davamlı rejimlərdə yüksək enerji və güclər əldə etməyə imkan verir. İlk maye lazerlər (1964-1965) nadir torpaq birləşmələrindən istifadə etdi. Onlar üzvi boyaların məhlullarından istifadə edərək lazerlərlə əvəz edilmişdir.
Belə lazerlər adətən görünən və ya UV diapazonunda digər lazerlərdən radiasiyanın optik nasosundan istifadə edir. Boya lazerlərinin maraqlı bir xüsusiyyəti nəsil tezliyini tənzimləmək imkanıdır. Bir boya seçərək, lasing yaxın IR-dən yaxın UV diapazonuna qədər istənilən dalğa uzunluğunda əldə edilə bilər. Bu, maye molekullarının geniş davamlı vibrasiya-fırlanma spektrləri ilə bağlıdır.
Yarımkeçirici lazerlər. Yarımkeçirici materiallara əsaslanan bərk vəziyyətdə olan lazerlər ayrıca bir sinifə təsnif edilir. Pompa bir elektron şüası ilə bombardman, güclü lazer şüalanması, lakin daha çox elektron üsullarla həyata keçirilir. Yarımkeçirici lazerlər ayrı-ayrı atomların və ya molekulların diskret enerji səviyyələri arasında deyil, icazə verilən enerji zolaqları, yəni yaxın məsafədə yerləşən səviyyələr dəstləri arasında keçidlərdən istifadə edir (kristallardakı enerji zolaqları sonrakı bölmələrdə daha ətraflı müzakirə olunur). Müxtəlif yarımkeçirici materiallardan istifadə dalğa uzunluqlarında şüalanma əldə etməyə imkan verir 0,7 əvvəl 1,6 µm. Aktiv elementin ölçüləri olduqca kiçikdir: rezonatorun uzunluğu ondan az ola bilər 1 mm.
Tipik güc bir neçə kVt təşkil edir, nəbz müddəti təxminəndir 3 ns, səmərəliliyə çatır 50 % , geniş tətbiq sahəsinə malikdir (fiber optika, rabitə). Televiziya şəkillərini böyük ekrana proyeksiya etmək üçün istifadə edilə bilər.
Pulsuz elektron lazerlər. Yüksək enerjili elektronların şüası "maqnit daraq" - elektronları müəyyən bir tezlikdə salınmağa məcbur edən fəza dövri maqnit sahəsindən keçir. Müvafiq cihaz - dalğalandırıcı - sürətləndiricinin bölmələri arasında yerləşən bir sıra maqnitlərdir ki, relativistik elektronlar dalğalandırıcı oxu boyunca hərəkət etsinlər və ilkin ("kortəbii") elektromaqnit dalğası yayaraq ona eninə salınırlar. Elektronların daha sonra daxil olduğu açıq rezonatorda kortəbii elektromaqnit dalğası gücləndirilir və koherent yönəldilmiş lazer şüalanması yaradır. Sərbəst elektron lazerlərin əsas xüsusiyyəti elektronların kinetik enerjisini dəyişdirərək generasiya tezliyini (görünəndən İQ diapazonuna qədər) rəvan tənzimləmək qabiliyyətidir. Belə lazerlərin effektivliyi 1 % qədər orta gücdə 4 Vt. Elektronları rezonatora qaytarmaq üçün cihazlardan istifadə edərək səmərəliliyi artırmaq olar 20–40 % .
X-ray lazer ilə nüvə nasosu. Bu ən ekzotik lazerdir. Sxematik olaraq, səthində müxtəlif istiqamətlərə yönəldilmiş 50-yə qədər metal çubuq quraşdırılmış nüvə başlığını təmsil edir. Çubuqların iki sərbəstlik dərəcəsi var və silah lülələri kimi kosmosun istənilən nöqtəsinə yönəldilə bilər. Hər bir çubuqun oxu boyunca yüksək sıxlıqlı materialdan (qızılın sıxlığına görə) nazik bir məftil var - aktiv mühit. Lazer nasos enerjisinin mənbəyi nüvə partlayışıdır. Partlayış zamanı aktiv maddə plazma vəziyyətinə keçir. Dərhal soyuyan plazma yumşaq rentgen diapazonunda koherent radiasiya yayır. Yüksək enerji konsentrasiyası səbəbindən hədəfə dəyən radiasiya maddənin partlayıcı buxarlanmasına, zərbə dalğasının əmələ gəlməsinə və hədəfin məhvinə səbəb olur.
Beləliklə, rentgen lazerinin işləmə prinsipi və dizaynı onun tətbiq dairəsini aydın edir. Təsvir edilən lazerdə boşluq güzgüləri yoxdur, onların rentgen diapazonunda istifadəsi mümkün deyil.
Bəzi lazer növləri aşağıdakı şəkildə göstərilmişdir.
Bəzi lazer növləri: 1-
laboratoriya lazeri; 2-
davamlı lazer;
3
-
deliklərin açılması üçün texnoloji lazer; 4-
güclü texnoloji lazer
Aşağıda atom sıxlığı olan iki səviyyəli sistemi nəzərdən keçirək n 1 və yuxarı n 2 enerji səviyyəsi.
Birinci səviyyədən ikinciyə məcburi keçid ehtimalı bərabərdir:
Harada σ 12 – radiasiya intensivliyinin təsiri altında keçid ehtimalı J.
Sonra vahid vaxtda induksiya edilmiş keçidlərin sayı olacaqdır
.
Sistem ikinci səviyyədən iki yolla hərəkət edə bilər: məcburi və kortəbii. Xarici həyəcan bitdikdən sonra sistemin termodinamik tarazlıq vəziyyətinə gəlməsi üçün kortəbii keçidlər lazımdır. Spontan keçidlər mühitin istilik şüalanması nəticəsində yaranan keçidlər hesab edilə bilər. Vahid vaxtda spontan keçidlərin sayı bərabərdir, burada A 2 – spontan keçid ehtimalı. İkinci səviyyədən məcburi keçidlərin sayı
.
Effektiv udma və emissiya kəsiklərinin nisbəti bərabərdir
Harada g 1 , g 2 səviyyəli degenerasiyanın çoxluğu.
Balans tənliyi səviyyələrin populyasiyalarının cəmi ilə müəyyən edilir, bu da ümumi sayına bərabər olmalıdır n Sistemdə 0 hissəcik n 1 + n 2 =n 0 .
Populyasiyaların zamanla dəyişməsi aşağıdakı tənliklərlə təsvir olunur.
Bu tənliklərin həlli aşağıdakı kimidir.
.
Populyasiyaların zaman törəmələri sıfıra bərabər olduqda stasionar vəziyyətdə bu tənliklərin həlli:
İki səviyyəli sistemin tərs populyasiyası təmin ediləcək və ya
.
Buradan belə nəticə çıxır ki, yalnız yuxarı səviyyənin degenerasiya çoxluğu əsas səviyyənin degenerasiya çoxluğundan çox olduqda, spontan keçidlər nəticəsində əhali itkiləri nəzərə alınmaqla, populyasiyanın ters çevrilmiş dövləti mümkündür. Atom sistemləri üçün bu mümkün deyil. Bununla belə, yarımkeçiricilər üçün mümkündür, çünki keçiricilik zolağının və valentlik zolağının vəziyyətlərinin degenerasiyasının çoxluğu vəziyyətlərin sıxlığı ilə müəyyən edilir.
Üç səviyyəli sistemlərin tərs populyasiyası
Enerjili üç səviyyəli bir sistemi nəzərdən keçirsək E 1 , E 2 , E 3, və E 1 >E 2 >E 3 və əhali n 1 , n 2 , n 3, onda populyasiyalar üçün tənliklər olacaq.
Stasionar vəziyyətdə səviyyələrin degenerasiya çoxluğundakı fərqi nəzərə almadan tərs populyasiyaya münasibətdə bu tənliklərin həlli belə olacaqdır:
Stasionar vəziyyətdə
.
Tərs populyasiyanın mövcudluğu şərti Δ>0 olarsa ödənilir
.
Yarımkeçiricilərdə üç səviyyəli sistem aşağı səviyyənin valentlik zolağı, iki yuxarı səviyyənin isə keçiricilik zolağının iki vəziyyəti olduğu bir sistem hesab edilə bilər. Tipik olaraq, keçiricilik zolağı daxilində qeyri-radiativ keçidlərin ehtimalı zona-zona keçidləri ehtimalından qat-qat böyükdür, buna görə də A 32 » A 31, buna görə də populyasiyanın inversiya vəziyyəti belə olacaq:
Çünki
,
burada ρ 13 aktiv materialın udma zolağında orta hesablanan nasosun enerji sıxlığıdır; bu şərt təmin edilə bilər.
Güclü elektrik sahələrində elektrik keçiriciliyi
Qeyri-xətti Ohm qanunu
Güclü elektrik sahələrində zərrəyə təsir edən qüvvə artır və bu da hissəciyin sürətinin artmasına səbəb olur. Hissəciklərin sürəti istilik hərəkətinin sürətindən az olduğu müddətcə, elektrik sahəsinin elektrik keçiriciliyinə təsiri əhəmiyyətsizdir və Ohm xətti qanunu təmin edilir. Elektrik sahəsinin gücü artdıqca hissəciyin sürüşmə sürəti artır və elektrik keçiriciliyinin elektrik sahəsinin gücündən asılılığı xətti olur.
Kristal qəfəs titrəyişləri ilə səpilmə zamanı orta sərbəst yol enerjidən asılı olmadığından, elektrik sahəsinin gücü və sürüşmə sürətinin artması ilə relaksasiya vaxtı azalacaq və hərəkətlilik azalacaq. İntensivlik elektrik sahəsində bir hissəciyə təsir edən qüvvə E bərabərdir onun. Bu qüvvə sürətlənməyə səbəb olur və hissəciyin istilik sürətini dəyişir v T. Elektrik sahəsinin təsiri altında hissəcik sürətlənir və vahid vaxtda qüvvələrin işinə bərabər enerji alır. onun:
(7.1) 
.
Digər tərəfdən, bir toqquşma zamanı və ya onun sərbəst yolu zamanı hissəciyin itirdiyi enerji ümumi enerjinin kiçik bir hissəsini (ξ) təşkil edir. T və vaxt vahidinə görə. Buna görə də yaza bilərik: .
Bu ifadəni (7.1) düsturu ilə bərabərləşdirərək, elektrik sahəsinin gücü və hissəcik sürəti üçün tənlik əldə edə bilərik:
(7.2) 
, və ya 
. .
Salınımlarla səpilmə üçün orta sərbəst yol sabitdir, onda sürət elektrik sahəsinin gücündən asılıdır:
(7.3) 
.
Hərəkətlilik elektrik sahəsinin gücündən aşağıdakı kimi asılı olacaq:
Elektrik sahəsinin gücü artdıqca hərəkətlilik azalır.
Güclü sahələrdə Ohm-un qeyri-xətti qanunu aşağıdakı formada olacaq: .
Zinner effekti
Zinner effekti zona-zona tunel keçidi səbəbindən elektronların sahə emissiyasında özünü göstərir. Elektron kristal qəfəsin bir yerindən digərinə keçdikdə, iki sahəni ayıran potensial maneəni dəf etmək lazımdır. Bu potensial maneə band boşluğunu müəyyən edir. Elektrik sahəsinin tətbiqi xarici elektrik sahəsinin istiqamətinə əks istiqamətdə potensial maneəni aşağı salır və nüvəyə bağlı vəziyyətdən keçiricilik zonasına elektron tunel keçidinin ehtimalını artırır. Təbiətinə görə bu keçid valentlik zolağının elektronları ilə baş verir və elektronların axını kristal qəfəsin düyünündən keçiricilik zolağının sərbəst vəziyyətinə yönəldiləcəkdir. Bu təsir həmçinin Zinner parçalanması və ya soyuq elektron emissiyası adlanır. Gücü 10 4 – 10 5 V/sm olan elektrik sahələrində müşahidə edilir.
Stark effekti
Stark effekti atom səviyyələrinin enerjisinin dəyişməsinə və valentlik zolağının genişlənməsinə səbəb olur. Bu, band boşluğunun azalmasına və elektronların və dəliklərin tarazlıq konsentrasiyasının artmasına bənzəyir.
Məsafədə olan ştatlarda r Atomun nüvəsindən 0, xarici elektrik sahəsindən elektrona təsir edən qüvvə nüvəyə cazibə qüvvəsini tarazlaya bilər:
Bu halda atomdan elektron çıxarıb onu sərbəst vəziyyətə keçirmək mümkündür. (7.6) düsturundan ionlaşma məsafəsi bərabərdir:
Bu təsir elektronun sərbəst vəziyyətə keçməsi üçün potensial maneəni aşağıdakı miqdarda azaldır:
(7.7) 
.
Potensial maneənin azalması termal həyəcanlanma ehtimalının miqdarı ilə artmasına səbəb olur:
(7.8) 
.
Bu təsir gücü 10 5 – 10 6 V/sm olan elektrik sahələrində müşahidə olunur.
Qan effekti
Bu təsir müxtəlif əyriliyin keçiricilik zolağının iki enerji minimumu olan yarımkeçiricilərdə müşahidə olunur və yerli minimumun effektiv kütləsi mütləq minimumun əsas vəziyyətinin effektiv kütləsindən çox olmalıdır. Güclü enjeksiyon səviyyələrində elektronlar yerin minimum vəziyyətlərini doldura və yer minimumundan başqa bir yerli minimuma keçə bilər. Yerli minimumda elektronların kütləsi böyük olduğundan ötürülən elektronların sürüşmə hərəkətliliyi daha az olacaq, bu da elektrik keçiriciliyinin azalmasına səbəb olacaqdır. Bu azalma cərəyanın azalmasına və keçiricilik zolağına enjeksiyonun azalmasına səbəb olacaq ki, bu da keçiricilik zolağının əsas minimumunda elektronların çökməsinə, ilkin vəziyyətin bərpasına və cərəyanın artmasına səbəb olacaq. Nəticədə yüksək tezlikli cərəyan dalğalanmaları baş verir.
Bu təsir GaAs-da müşahidə edilmişdir n 0,025 mm uzunluğunda bir nümunəyə qidalandıqda yazın. gərginlik nəbzi 16 V 10 8 Hz müddəti ilə. Salınma tezliyi 10 9 Hz idi.
Hahn effekti sürüşmə sürətinin elektronların istilik sürəti ilə müqayisə oluna biləcəyi sahələrdə müşahidə olunur.
Bərk cisimlərdə həyəcanlar
Eksitonun təbiəti
Bir kristal elektromaqnit sahəsi ilə həyəcanlanırsa, onda keçiricilik zolağından olan elektronlar valentlik zolağına keçir və elektron-deşik cütünü meydana gətirir: keçiricilik zolağında bir elektron və valentlik zolağında bir dəlik. Çuxur müsbət yük kimi görünür, çünki elektron valentlik zolağında elektronun mənfi yükünün olmaması müsbət yükün yaranmasına səbəb olur. Buna görə də cütlük daxilində cazibə qarşılıqlı əlaqəsi yaranır. Cəlbedici enerji mənfi olduğundan, nəticədə yaranan keçid enerjisi cütdəki elektron və dəlik arasındakı cəlbedici enerjinin miqdarı ilə band boşluğunun enerjisindən az olacaq. Bu enerjini aşağıdakı kimi yazmaq olar:
Harada - e- elektron yükü, Ze- elektronun keçiricilik zolağına keçdiyi atomun yükü; r eh– elektronla dəlik arasındakı məsafə, elektron və deşik arasındakı qarşılıqlı təsirin vakuumda və ya mikroskopik tipli dielektrik keçiriciliyindəki nöqtə yüklərinin qarşılıqlı təsiri ilə müqayisədə azalmasını müəyyən edən e-əmsal.
Elektron keçidi kristal qəfəsin neytral yerində baş verərsə, o zaman Z=1 və çuxurun yükü eəks işarəli elektronun yükü. Əgər sahənin valentliyi kristal qəfəsin əsas atomlarının valentliyindən bir fərqlə fərqlənirsə, onda Z=2.
Mikroskopik tipli dielektrik sabiti e iki amillə müəyyən edilir:
· Elektron və deşik arasında qarşılıqlı təsir kristal mühitdə baş verir. Bu, kristal şəbəkəni qütbləşdirir və elektron və dəlik arasındakı qarşılıqlı təsir qüvvəsi zəifləyir.
· Kristaldakı elektron və dəlik nöqtə yükləri kimi deyil, sıxlıqları kosmosda “qarışdırılmış” yüklər kimi təqdim edilə bilər. Bu, elektron və dəlik arasındakı qarşılıqlı təsir gücünü azaldır. Bənzər bir vəziyyət atomlarda da müşahidə oluna bilər. Atomdakı elektronlar arasındakı qarşılıqlı təsir elektron və nüvə arasındakı qarşılıqlı təsirdən 5-7 dəfə azdır, baxmayaraq ki, aralarındakı məsafələr müqayisə edilə bilər. Bu, orbitdəki elektronların bir nöqtədə cəmləşməməsi, lakin onların arasında qarşılıqlı əlaqəni azaldan bir paylanma sıxlığı ilə xarakterizə olması səbəbindən baş verir. Bir atomun nüvəsi nöqtə yükü kimi yaxşı bir dəqiqliklə təmsil oluna bilər, buna görə də elektronların nüvə ilə qarşılıqlı təsiri atomların mövcudluğunun sabitliyini təmin edən elektronlar arasındakı qarşılıqlı təsirdən daha çox olacaqdır.
Bu iki amilin təsiri müxtəlif tipli eksitonlar üçün fərqlidir: Frenkel eksitonu (kiçik radius) və Wannier eksitonu (böyük radius).
Həyəcan enerjisi və radiusu
Eksitonun bağlanma enerjisi elektron və dəlik arasındakı məsafədən asılıdır. Bir elektron və bir dəlik eksiton radiusu olan bir orbitdə kütlə mərkəzinə nisbətən hərəkət edir r eh. Bir həyəcanın sabit mövcudluğu üçün həyəcan orbitində dalğaların sayı ilə daimi bir dalğa meydana gəlməsi lazımdır. n.. Nisbəti haradan əldə etmək olar:
Harada R- elektron və bir dəliyin bir-birinə nisbətən hərəkət miqdarı. Hərəkətin miqdarı elektron və çuxurun nisbi hərəkətinin kinetik enerjisi T vasitəsilə ifadə edilə bilər: , burada m eksitonun azaldılmış kütləsidir.
Azaldılmış eksiton kütləsi orta harmonik dəyər kimi elektron və çuxurun effektiv kütlələrindən ibarət olmalıdır. Əgər dəliyin kütləsi böyükdürsə, o zaman eksitonun kinetik enerjisi və ya elektronun dəliyə nisbətən hərəkətinin kinetik enerjisi elektron kütləsi ilə müəyyən edilməlidir. Buna görə də
Elektronların və dəliklərin effektiv kütlələri bərabərdirsə, azaldılmış eksiton kütləsi ½-ə bərabərdir; lokallaşdırılmış həyəcan varsa, onda m h>>m e azaldılmış eksiton kütləsi isə birliyə bərabərdir.
Pulsuz həyəcan üçün Z=1, m¢=1/2, həyəcan enerjisi və radius bərabərdir
(8.7) 
.
Lokallaşdırılmış həyəcan üçün Z=2, m¢=1 həyəcan enerjisi və radius bərabərdir
(8.8) 
.
Beləliklə, sərbəst həyəcan səviyyələrinin enerjisinin lokallaşdırılmış eksitonun enerjisindən 8 dəfə az, radiusunun isə 4 dəfə böyük olduğu ortaya çıxır.
İlk baxışda populyasiya inversiyası iki enerji səviyyəsi E 1 və E 2 >E 1 olan mühitdə yaradıla bilər. Məsələn, bu, mühiti tezliyi olan fotonlarla şüalandırmaq yolu ilə həyata keçirilə bilər. Çünki normal şəraitdə N 2
Lakin populyasiyalar N 2 = N 1-ə bərabər olduqda, stimullaşdırılmış emissiya və udma prosesləri bir-birini kompensasiya edəcək və inversiya yaratmaq mümkün olmayacaqdır.
Buna görə də, lazerlər üçün hissəciklərin iki deyil, üç və ya dörd səviyyəni tuta biləcəyi media istifadə olunur.
Üç səviyyəli sistem vəziyyətində (Şəkil), E 2 səviyyəsi metastabil olmalıdır, yəni. Bu səviyyədə bir hissəciyin ömrü həyəcanlı vəziyyətin digər səviyyələrindəki ömründən çox daha uzundur. Bu o deməkdir ki, W 21<
Dörd səviyyəli sistem vəziyyətində E 2 səviyyəsi metastabil, W 21 isə<
Əhali inversiyası fizikada, onu təşkil edən hissəciklərin (atomlar, molekullar və s.) yüksək enerji səviyyələrinin aşağı hissəciklərdən daha çox hissəciklərlə “məskunlaşdığı” maddənin vəziyyəti (bax. səviyyə əhali). Normal şəraitdə (istilik tarazlığında) əks əlaqə yaranır: yuxarı səviyyələrdə aşağı səviyyələrə nisbətən daha az hissəcik var (boltzman statistikasına baxın).
Böyük Sovet Ensiklopediyası. - M.: Sovet Ensiklopediyası. 1969-1978 .
Digər lüğətlərdə “Population Inversion” sözünün nə olduğuna baxın:
- (latınca inversio, inversiya, yenidən düzülmə), onun tərkib hissələri (atomlar, molekullar və s.) üçün aşağıdakı bərabərsizliyin mövcud olduğu va-da qeyri-tarazlıq vəziyyəti: N2/g2>N1/g1, burada N2 və N1 populyasiyalar yuxarıdadır. və aşağı enerji səviyyələri, g2 və g1 onların...... Fiziki ensiklopediya
Müasir ensiklopediya
Əhali inversiyası- (latınca inversio, çevrilmə, yenidən düzülmə), adi istilik tarazlıq vəziyyətindən fərqli olaraq, maddəni təşkil edən hissəciklərin (atomların, molekulların) sayının bərabər olduğu maddənin qeyri-tarazlıq vəziyyəti. daha yüksək...... İllüstrasiyalı Ensiklopedik Lüğət
ƏHALİ İNVERSİYASI- həyəcanlanmış (yuxarı) enerji səviyyələrində onu təşkil edən hissəciklərin (elektronların, atomların, molekulların və s.) populyasiyasının (konsentrasiyasının) tarazlıq (aşağı) səviyyəsinin populyasiyasından yüksək olduğu maddənin qeyri-tarazlıq vəziyyəti; vacibdir... Böyük Politexnik Ensiklopediyası
Maddəni təşkil edən bir növ atomun (ionların, molekulların) bir cüt enerji səviyyələrinin yuxarı hissəsinin populyasiyasının aşağı olanın populyasiyasından çox olduğu maddənin qeyri-tarazlıq vəziyyəti. Lazerlərin işləməsinin əsasını əhalinin inversiyaları təşkil edir və...... ensiklopedik lüğət
VA-da qeyri-tarazlıq vəziyyəti, VA-ya daxil olan bir növ atomun (ionların, molekulların) bir cüt enerji səviyyələrinin yuxarı hissəsinin populyasiyasının aşağı olanın populyasiyasını üstələməsi. Mən və. lazerlərin və digər kvant cihazlarının işinin əsasını təşkil edir... ... Təbiət elmi. ensiklopedik lüğət
Fizikanın və statistik mexanikanın fundamental anlayışlarından biri lazerlərin iş prinsiplərini təsvir etmək üçün istifadə olunur. Mündəricat 1 Boltsman paylanması və termodinamik tarazlığı ... Vikipediya
Elektron populyasiyaların inversiyası lazerlərin iş prinsiplərini təsvir etmək üçün istifadə olunan fizikanın və statistik mexanikanın əsas anlayışlarından biridir. Mündəricat 1 Boltsman paylanması və termodinamik tarazlığı ... Vikipediya
Elektron populyasiyaların inversiyası lazerlərin iş prinsiplərini təsvir etmək üçün istifadə olunan fizikanın və statistik mexanikanın əsas anlayışlarından biridir. Mündəricat 1 Boltsman paylanması və termodinamik tarazlığı ... Vikipediya
Populyasiya inversiyası eyni enerji vəziyyətinə malik atomların konsentrasiyasıdır; termodinamik tarazlıqda Boltzman statistikasına tabedir:
Atomların konsentrasiyası haradadır, elektronların vəziyyəti enerji ilə enerji səviyyələrinə uyğundur və .
Həyəcanlanmamış atomların konsentrasiyası həyəcanlanmış atomların konsentrasiyasından çox olduqda, Δn = mənfi, buna görə də populyasiya normaldır. Həyəcanlanmış atomların konsentrasiyası həyəcanlanmamış atomların konsentrasiyasından çox olduqda (bu, nasosun enerjisi ilə təmin edilir) Δn dəyəri müsbət olur, yəni populyasiyanın inversiyası baş verir və həyəcanlanan atomlar hesabına ötürülən şüalanma gücləndirilə bilər.
Formal olaraq Δn > 0 şərti mütləq mənfi T temperaturda ödənilir< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.
Yarımkeçirici lazerlərdə keçiricilik zolağının və valentlik zolağının enerji səviyyələrinin populyasiyaları arasında inversiya, pn qovşağının müsbət meylində daşıyıcıların yeridilməsi ilə əldə edilir.
Lazer gücləndirilməsi
Lazer gücləndirilməsi induksiya radiasiyasının istifadəsinə əsaslanan optik şüalanmanın gücləndirilməsidir - radiasiya kvantı həyəcanlanmış vəziyyətdə bir atoma təsir etdikdə, bir elektron radiasiya emissiyası ilə müşayiət olunan enerjili vəziyyətdən enerjili vəziyyətə keçir. həyəcanverici kvantın enerjisinə bərabər enerji ilə kvant hν = – .
Radiasiya keçdikdə həyəcanlanmış atomların kifayət qədər konsentrasiyası olan bir mühitdə, istehsal olunan fotonların sayı udma və səpilmə nəticəsində itkilərdən əhəmiyyətli dərəcədə çox olarsa, gücləndirmə rejimi əldə etmək mümkündür.
Enjeksiyon lazeri Şəkil 1.3-də göstərilmişdir
düyü. 1.3 Yarımkeçirici enjeksiyon lazerinin (lazer diodunun) qurğusunun sxemi
Şəkil 1-də. Şəkil 4-də Fermi səviyyəsinin öz və çirkli yarımkeçiricilərdəki mövqeyi göstərilir. Fermi səviyyəsinin mühüm xassələrindən biri odur ki, n və p tipli yarımkeçiricilərdən ibarət olan sistemdə və onlara gərginlik verilmədikdə, onların Fermi səviyyələri bərabərləşdirilir (şək. 1. 4 a). Əgər onlar müxtəlif potensiallar altındadırlarsa, onda onlarda Fermi səviyyələri potensial fərqin miqdarı ilə dəyişir (şək. 1. 4. b).
Şəkil 1. 4. Enjeksiyonlu yarımkeçirici lazerin enerji diaqramı: tətbiq olunan xarici gərginlik olmadan p-n keçidi (a); İrəli istiqamətdə xarici gərginlik tətbiq edərkən p-n qovşağı (b). d p-n keçidinin eni, l lazerin işləməsini təmin edən sahənin faktiki enidir.
Bu zaman pn qovşağı zonasında ters çevrilmiş populyasiya yaranır və elektronlar keçiricilik zolağından valentlik zolağına keçid edir (deşiklərlə yenidən birləşmək). Bu vəziyyətdə fotonlar yayılır. LED bu prinsip üzərində işləyir. Bu fotonlar üçün optik rezonator şəklində müsbət rəy yaradılarsa, xarici tətbiq olunan gərginliyin böyük dəyərlərində pn qovşağının bölgəsində lazer lazeri əldə edilə bilər. Bu zaman qeyri-tarazlıq daşıyıcılarının əmələ gəlməsi və rekombinasiyası prosesi xaotik şəkildə baş verir və radiasiya aşağı gücə malikdir və qeyri-bərabər və qeyri-monoxromatik olur. Bu, yarımkeçirici emitterin LED iş rejiminə uyğundur. Cari həddən artıq artdıqda, radiasiya koherent olur, onun spektral eni çox daralır və intensivlik kəskin şəkildə artır - yarımkeçirici emitentin lazer iş rejimi başlayır. Eyni zamanda, yaranan şüalanmanın xətti polarizasiya dərəcəsi də artır.
Şəkil 1-də. Şəkil 5-də yarımkeçirici lazerin dizaynı və çıxan şüalanmanın intensivlik paylanması sxematik şəkildə göstərilir. Bir qayda olaraq, belə bir lazerdə pn qovşağının müstəvisinə perpendikulyar olan kristalın iki diametrik əks tərəfini cilalamaqla rezonator yaradılır. Bu təyyarələr paralel hazırlanır və yüksək dəqiqliklə cilalanır. Çıxış səthi radiasiyanın keçdiyi yarıq kimi qəbul edilə bilər. Lazer şüalanmasının bucaq fərqi bu yarıqda şüalanmanın difraksiyası ilə müəyyən edilir. p-n qovşağının qalınlığı 20 µm və eni 120 µm olan bucaq fərqi XZ müstəvisində təxminən 60 və YZ müstəvisində 10-a uyğundur.
Şəkil 1. 5. Pn qovşağı lazerinin sxematik diaqramı. 1-p-n qovşağının regionu (aktiv təbəqə); XY müstəvisində lazer şüasının 2 bölməsi.
Müasir yarımkeçirici lazerlər yarımkeçirici heterostrukturlardan geniş istifadə edirlər ki, onların işlənib hazırlanmasında Rusiya Elmlər Akademiyasının akademiki J. İ. Alferov (2000-ci il Nobel mükafatı) mühüm töhfə vermişdir. Heterostrukturlara əsaslanan lazerlər daha yaxşı xüsusiyyətlərə malikdir, məsələn, daha yüksək çıxış gücü və daha az divergensiya. İkiqat heterostrukturun nümunəsi Şəkildə göstərilmişdir. 1. 6 və onun enerji diaqramı Şek. 1. 7.
düyü. 1.6. Yarımkeçirici ikiqat heterostruktur. 1-elektrik kontaktı yaratmaq üçün keçirici metallaşdırılmış təbəqə; 2 qatlı GaAs (n); 3 qatlı Al0.3Ga0.7As (n); Yük daşıyıcısının enjeksiyon zonasına uyğun gələn 4 qat (p-n qovşağı); 5 qatlı Al0.3Ga0.7As (p); 6 qatlı GaAs (p); p-n qovşağından keçən cərəyanı məhdudlaşdırmaq üçün 7-keçirici olmayan metal oksid təbəqəsi, şüalanma generasiya zonasını təşkil edir; 8,9-bitişik təbəqələr elektrik kontaktı yaratmaq üçün; 10- istilik qəbuledicisi olan substrat.
düyü. 1.7 İkiqat heterostrukturun enerji diaqramı, Y oxu və təbəqə nömrələri şəklə uyğundur. 1. 6. ΔEgc-band boşluğunun eni; ΔEgv p-n qovşağının bant boşluğudur.
düyü. 1. 8. Heterostrukturlu yarımkeçirici lazer: l - boşluq uzunluğu
Aktiv mühit
Aktiv mühit tərs populyasiyanın yaradıldığı bir maddədir. Müxtəlif növ lazerlərdə bərk (yaqut və ya itrium alüminium qranat kristalları, müxtəlif ölçülü və formalı çubuqlar şəklində neodim qarışığı olan şüşə), maye (anilin boyalarının məhlulları və ya neodim duzlarının məhlulları) ola bilər. kyuvetlərdə) və qaz halında (neon, arqon, karbon qazı, şüşə borularda aşağı təzyiqli su buxarı ilə helium qarışığı). Yarımkeçirici materiallar və soyuq plazma, kimyəvi reaksiya məhsulları da lazer şüası yaradır. Lazerlər istifadə olunan aktiv mühitdən asılı olaraq adlanır.
Yarımkeçirici lazerlər bərk vəziyyətdə olsalar da, adətən xüsusi qrupa bölünürlər. Bu lazerlərdə elektronların keçiricilik zolağının aşağı kənarından valentlik zolağının yuxarı kənarına keçməsi hesabına koherent şüalanma yaranır.
Yarımkeçirici lazerlərin iki növü var.
Birincisi, yarımkeçiricilər kimi qallium arsenid GaAs, kadmium sulfid CdS və ya kadmium selenid CdSe istifadə edildiyi təmiz yarımkeçirici vafli var.
Yarımkeçirici lazerin ikinci növü - inyeksiya lazeri - donor və qəbuledici çirklərin konsentrasiyası 1018-1019 olan çirkli yarımkeçiricilərdən ibarətdir. Qallium arsenid GaAs əsasən inyeksiya lazerləri üçün istifadə olunur.
v tezliyində yarımkeçiricilər üçün populyasiya inversiyasının yaradılması şərti belədir:
∆F= - >hv
Yəni yarımkeçirici monokristalda şüalanmanın gücləndirilməsi üçün elektronlar və dəliklər üçün Fermi səviyyələri arasındakı məsafə işıq kvantının hv enerjisindən böyük olmalıdır. Tezlik nə qədər aşağı olarsa, həyəcan səviyyəsi bir o qədər aşağı olarsa, tərs populyasiya əldə edilir.
Nasos sistemi
Pompa aktiv mühitdə tərs populyasiya yaradır və hər bir mühit üçün ən rahat və səmərəli nasos üsulu seçilir. Bərk və maye lazerlərdə impuls lampaları və ya lazerlər istifadə olunur, qaz mühitləri elektrik boşalması ilə, yarımkeçiricilər isə elektrik cərəyanı ilə həyəcanlanır.
Yarımkeçirici lazerlər bir elektron şüası (saf yarımkeçiricidən olan yarımkeçirici lazerlər üçün) və birbaşa gərginlik (injection yarımkeçirici lazerlər üçün) ilə nasosdan istifadə edir.
Elektron şüası ilə nasos eninə (Şəkil 3.1) və ya uzununa (Şəkil 3.2) ola bilər. Transvers nasos zamanı yarımkeçirici kristalın iki əks üzü cilalanır və optik rezonatorun güzgüləri rolunu oynayır. Uzunlamasına nasos vəziyyətində xarici güzgülər istifadə olunur. Uzunlamasına nasosla yarımkeçiricinin soyudulması əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırılır. Belə bir lazerə misal olaraq 0,49 mkm dalğa uzunluğunda radiasiya yaradan və təxminən 25% effektivliyə malik olan kadmium sulfid lazerini göstərmək olar.
düyü. 3.1 - Elektron şüa ilə eninə nasos
düyü. 3.2 - Elektron şüası ilə uzununa nasos
Enjeksiyon lazerində iki degenerativ çirkli yarımkeçiricidən əmələ gələn pn qovşağı var. İrəli gərginlik tətbiq edildikdə, pn qovşağındakı potensial maneə aşağı salınır və elektronlar və deşiklər vurulur. Keçid bölgəsində yük daşıyıcılarının intensiv rekombinasiyası başlayır, bu zaman elektronlar keçiricilik zolağından valentlik zolağına keçir və lazer şüalanması baş verir (şək. 3.3).
düyü. 3.3 - Enjeksiyon lazerinin dizayn prinsipi
Pompa impulslu və ya davamlı lazer əməliyyatını təmin edir.
Rezonator
Rezonator bir-birinə paralel olan bir cüt güzgüdür, onların arasında aktiv mühit yerləşdirilir. Bir güzgü (“kar”) üzərinə düşən bütün işığı əks etdirir; ikincisi, şəffaf, stimullaşdırılmış emissiya üçün radiasiyanın bir hissəsini ətraf mühitə qaytarır və bir hissəsi lazer şüası şəklində xaricə çıxarılır. Tam daxili prizma tez-tez "kar" güzgü kimi istifadə olunur və şəffaf güzgü kimi bir yığın şüşə lövhə istifadə olunur. Bundan əlavə, güzgülər arasındakı məsafəni seçməklə, rezonatoru konfiqurasiya etmək olar ki, lazer yalnız bir, ciddi şəkildə müəyyən edilmiş bir növ (sözdə rejim) şüalanma yaradır.
Bütün növ lazerlərdə geniş istifadə olunan ən sadə optik rezonator bir-birindən aralı məsafədə yerləşən iki müstəvi-paralel lövhədən ibarət düz rezonatordur (Faby-Perot interferometri).
Bir boşqab olaraq, əks əmsalı birliyə yaxın olan əks etdirici güzgüdən istifadə edə bilərsiniz. İkinci lövhə şəffaf olmalıdır ki, yaranan radiasiya rezonatordan çıxa bilsin. Plitələrin səthlərinin əks olunma qabiliyyətini artırmaq üçün adətən onlara çox qatlı dielektrik əks etdirən örtüklər tətbiq olunur. Belə örtüklərdə demək olar ki, işığın udulması yoxdur. Bəzən yansıtıcı örtüklər birbaşa aktiv orta çubuqların müstəvi-paralel uclarına tətbiq olunur. Sonra uzaq güzgülərə ehtiyac qalmır.
düyü. 4.1. Optik rezonatorların növləri: a - düz, b - prizma, c - konfokal, d - yarımkonsentrik, e - kompozit, f - halqa, g, h - çarpaz, i - Bragg güzgüləri ilə. Aktiv elementlər kölgəlidir.
Düzbucaqlı prizma optik boşluqda əks etdirən güzgü kimi istifadə edilə bilər (şəkil 4.1, b). Prizmanın daxili müstəvisinə perpendikulyar düşən işıq şüaları ikiqat tam əks etdirmə nəticəsində ondan rezonatorun oxuna paralel istiqamətdə çıxır.
Optik rezonatorlarda düz plitələrin əvəzinə konkav şəffaf güzgülərdən istifadə etmək olar. Eyni əyrilik radiusuna malik iki güzgü, elə yerləşmişdir ki, onların ocaqları eyni F nöqtəsindədir (şəkil 4.1, c) konfokal rezonator əmələ gətirir. Güzgülər arasındakı məsafə l=R-dir. Bir güzgünün fokusunun digərinin səthində olması üçün bu məsafə yarıya endirilirsə, konfokal rezonator əldə ediləcəkdir.
Elmi tədqiqatlar və müxtəlif praktik məqsədlər üçün təkcə güzgülərdən deyil, həm də lazer şüalanmasının xüsusiyyətlərini idarə etməyə və dəyişdirməyə imkan verən digər optik elementlərdən ibarət daha mürəkkəb rezonatorlar istifadə olunur. Məsələn, şək. 4. 1, d. – dörd aktiv elementdən yaranan şüalanmanın cəmləndiyi kompozit rezonator. Lazer giroskopları iki şüanın qapalı qırıq xətt boyunca əks istiqamətlərdə yayıldığı halqa rezonatorundan istifadə edir (şəkil 4. 1e).
Kompüterlərin və inteqrasiya olunmuş modulların məntiqi elementlərini yaratmaq üçün çoxkomponentli çarpaz rezonatorlardan istifadə olunur (şəkil 4. 1. g, h). Bu, mahiyyətcə seçici şəkildə həyəcanlandırıla bilən və güclü optik birləşmə ilə birləşdirilə bilən lazerlər toplusudur.
Lazerlərin xüsusi bir sinfi paylanmış rəyi olan lazerlərdir. Adi optik rezonatorlarda əks əlaqə rezonator güzgülərindən yaranan radiasiyanın əks olunması hesabına qurulur. Geribildirim paylanması ilə əks optik olaraq qeyri-bərabər dövri quruluşdan baş verir. Belə bir quruluşa misal olaraq difraksiya barmaqlığı göstərilə bilər. O, mexaniki (şək. 4. 1, i) və ya bircins mühitdə seçici təsirlə yaradıla bilər.
Digər rezonator dizaynları da istifadə olunur.
Tərifinə görə, rezonator elementlərinə həmçinin passiv və aktiv panjurlar, radiasiya modulyatorları, polarizatorlar və lasinq əldə etmək üçün istifadə olunan digər optik elementlər daxil edilməlidir.
Boşluq itkiləri
Radiasiyanın yaranması aşağıdakı kimi sadələşdirilə bilər: lazerin işçi maddəsi rezonatora yerləşdirilir və nasos sistemi işə salınır. Xarici həyəcanın təsiri altında səviyyələrin tərs populyasiyası yaradılır və müəyyən bir spektral diapazonda udma əmsalı sıfırdan az olur. Həyəcanlanma prosesində, hətta populyasiyanın inversiyasının yaranmasından əvvəl, işləyən maddə lüminessiya etməyə başlayır. Aktiv mühitdən keçərək, spontan emissiya artır. Qazancın böyüklüyü aktiv mühitdə qazancın məhsulu və işıq yolunun uzunluğu ilə müəyyən edilir. Hər bir rezonator tipində elə seçilmiş istiqamətlər var ki, işıq şüaları güzgülərdən əks olunaraq aktiv mühitdən prinsipcə sonsuz sayda keçir. Məsələn, düz rezonatorda aktiv mühitdən yalnız rezonatorun oxuna paralel yayılan şüalar keçə bilər. Güzgülərə rezonatorun oxuna bucaq altında düşən bütün digər şüalar bir və ya bir neçə əksdən sonra ondan çıxır. İtkilər belə görünür.
Rezonatorda bir neçə növ itki var:
1.Güzgülərdə itkilər.
Mühitdə yaranan şüalanmanın bir hissəsi rezonatordan çıxarılmalı olduğundan, istifadə olunan güzgülər (onlardan ən azı biri) şəffaf olur. Güzgülərin intensivlik əks etdirmə əmsalları R1 və R2-ə bərabərdirsə, rezonatordan vahid uzunluğa düşən radiasiya çıxışı üçün faydalı itki əmsalı düsturla veriləcəkdir:
2. Həndəsi itkilər
Şüa rezonatorun içərisində güzgülərin səthlərinə ciddi şəkildə normal deyilsə, o zaman müəyyən sayda əks olunduqdan sonra güzgülərin kənarlarına çatacaq və rezonatoru tərk edəcəkdir.
3. Difraksiya itkiləri.
Radius a olan iki müstəvi-paralel dairəvi güzgüdən əmələ gələn rezonatoru nəzərdən keçirək. 2-ci güzgüyə dalğa uzunluğu λ olan paralel şüalanma şüası düşsün. Şüa güzgüdən əks olunur və eyni zamanda d ϕ ≈ λ a düzənli bir açıya difraksiya edir. Müəyyən bir rezonator üçün Fresnel nömrəsi, son şüa fərqi güzgülərin kənarlarından kənarda radiasiya çıxış bucağına çatdıqda güzgülər arasında keçidlərin sayıdır ϕ=a/L
4. Aktiv mühitin qeyri-bərabərliyi ilə səpilmə.
Rezonator aktiv mühitlə doldurularsa, əlavə itki mənbələri yaranır. Radiasiya aktiv mühitdən keçdikdə radiasiyanın bir hissəsi qeyri-bərabərlik və yad daxilolmalarla səpələnir və həmçinin rezonanssız udma nəticəsində zəifləyir. Qeyri-rezonanslı udma müəyyən bir mühit üçün işlək olmayan səviyyələr arasında optik keçidlərlə əlaqəli udma kimi başa düşülür. Bu, həmçinin güzgülərdə enerjinin qismən səpilməsi və udulması ilə bağlı itkiləri əhatə edə bilər.
