معادلات جمعیت سطوح انرژی. جمعیت معکوس سطوح انرژی ایجاد جمعیت معکوس یک سطح

عبور تابش از ماده. جمعیت معکوس سطوح.دوباره یک محیط دو سطحی با سطوح انرژی را در نظر بگیرید و . اگر تابش تک رنگ با فرکانس روی این محیط بیفتد

سپس هنگامی که در یک فاصله گسترش می یابد dxتغییر در چگالی انرژی طیفی با جذب تشدید و انتشار القایی (تحریکی) اتم‌های سیستم همراه خواهد بود. با توجه به انتشار تحریک شده، چگالی انرژی طیفی در پرتو افزایش می یابد و این افزایش انرژی باید متناسب با موارد زیر باشد:

.

در اینجا ضریب تناسب ابعادی است.

به طور مشابه، به دلیل فرآیندهای جذب فوتون، چگالی انرژی طیفی در پرتو کاهش می یابد:

.

تاشو و , ما تغییر کامل را پیدا می کنیم تراکم انرژی:

با در نظر گرفتن برابری ضرایب اینشتین و وارد کردن ضریب جذب آ، این معادله را به شکل می نویسیم

جواب این معادله دیفرانسیل شکل دارد

.

این فرمول چگالی انرژی طیفی را نشان می دهد تودر پرتوی از فوتون ها هنگام عبور از لایه ای از ماده ضخیم ایکس، جایی که با نقطه مطابقت دارد ایکس = 0 .

در شرایط تعادل ترمودینامیکی، مطابق با توزیع بولتزمن، , بنابراین ضریب جذب a مثبت است () :

بنابراین، چگالی انرژی تابش، همانطور که از (6.18) مشاهده می شود، با عبور از ماده کاهش می یابد، یعنی نور جذب می شود. با این حال، اگر سیستمی ایجاد کنید که در آن , سپس ضریب جذب منفی می شود و تضعیف نمی شود، اما افزایش شدت سوتا. وضعیت محیطی که در آن نامیده می شود ایالت با جمعیت معکوس سطوح, و سپس خود محیط نامیده می شود رسانه فعال. جمعیت معکوس سطوح با توزیع تعادل بولتزمن در تضاد است و اگر سیستم از حالت تعادل ترمودینامیکی خارج شود، می توان آن را به طور مصنوعی ایجاد کرد.

این امکان اساسی برای تقویت و تولید تابش نوری منسجم را ایجاد می کند و در عمل در توسعه منابع چنین تابشی - لیزرها استفاده می شود.

اصل عمل لیزر.ایجاد لیزر پس از یافتن روش هایی برای معکوس کردن جمعیت سطوح در برخی مواد (محیط فعال) امکان پذیر شد. اولین ژنراتور عملی در ناحیه مرئی طیف در (ایالات متحده آمریکا توسط میمن (1960)) بر اساس یاقوت ساخته شد. یاقوت یک شبکه کریستالی است که حاوی یک ( 0,03 % – 0,05 % ) مخلوط یون های کروم (). در شکل شکل 6.1 نمودار سطوح انرژی کروم را نشان می دهد. محیط سه لایه). سطح وسیع برای برانگیختن یون‌های کروم با نور یک لامپ قدرتمند تخلیه گاز با باند فرکانس وسیع در ناحیه سبز-آبی نور مرئی استفاده می‌شود - لامپ های پمپ. برانگیختگی یون‌های کروم به دلیل انرژی پمپ از یک منبع خارجی با یک فلش نشان داده می‌شود .

برنج. 6.1. نمودار یک محیط سه سطح فعال (یاقوت)

الکترون‌ها از یک سطح کوتاه‌مدت سریع می‌سازند ( ج) انتقال غیر تابشی به یک سطح (به تصویر کشیده شده توسط یک فلش آبی) . انرژی آزاد شده در این حالت به صورت فوتون ساطع نمی شود، بلکه به کریستال یاقوت منتقل می شود. در این مورد، یاقوت گرم می شود، بنابراین طراحی لیزر خنک کننده آن را فراهم می کند.

طول عمر یک تنگنای طولانی مدت مقدار جیعنی 5 مرتبه بیشتر از سطح پهنای باند . با قدرت پمپ کافی، تعداد الکترون های موجود در سطح (نامیده می شود غیر پایدار) بیشتر از سطح می شود , یعنی یک جمعیت معکوس بین سطوح "کار" و .

فوتون ساطع شده در طول یک انتقال خود به خود بین این سطوح (که با یک فلش چین نشان داده شده است) باعث انتشار فوتون های اضافی (تحریک شده) می شود - (انتقال با یک فلش نشان داده شده است) که به نوبه خود باعث القاء شده گسیل یک آبشار کامل فوتون با طول موج.

مثال 1.اجازه دهید جمعیت نسبی سطوح کاری را در یک کریستال یاقوت در دمای اتاق در شرایط تعادل ترمودینامیکی تعیین کنیم.

بر اساس طول موج ساطع شده توسط لیزر یاقوت، تفاوت انرژی را پیدا می کنیم:

.

در دمای اتاق T = 300 Kما داریم:

اکنون از توزیع بولتزمن به دست می آید

.

اجرای یک رسانه فعال با جمعیت معکوس سطوح تنها نیمی از نبرد است. برای کارکرد لیزر نیز باید شرایطی برای تولید نور یعنی استفاده ایجاد کرد بازخورد مثبت. خود محیط فعال فقط می تواند تشعشعات ارسالی را تقویت کند. برای اجرای حالت لیزر، لازم است تابش تحریک شده به گونه ای تقویت شود که تمام تلفات سیستم را جبران کند. برای انجام این کار، ماده فعال در آن قرار می گیرد تشدید کننده نوری, معمولاً توسط دو آینه موازی تشکیل می شود که یکی از آنها نیمه شفاف است و برای خروج تابش از تشدید کننده کار می کند. از نظر ساختاری، اولین لیزرهای یاقوتی از کریستال های استوانه ای با طول استفاده می کردند 40 میلی مترو قطر 5 میلی متر. انتهای آن به موازات یکدیگر صیقل داده شده و به عنوان آینه تشدید کننده عمل می کنند. یکی از انتها نقره ای شد به طوری که ضریب انعکاس نزدیک به وحدت بود و سر دیگر آن نیمه شفاف بود یعنی ضریب انعکاس آن کمتر از واحد بود و برای خروج تابش از تشدید کننده استفاده می شد. منبع تحریک یک لامپ زنون پالسی قدرتمند بود که مارپیچی را به دور یاقوت می پیچید. دستگاه لیزر یاقوت به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است. 6.2.

برنج. 6.2. دستگاه لیزر روبی: 1- میله یاقوتی؛ 2- لامپ تخلیه گاز پالسی؛ 3- آینه شفاف؛ 4- آینه؛ 5- انتشار تحریک شده

با قدرت کافی لامپ پمپ، اکثریت (حدود نیمی) از یون های کروم به حالت برانگیخته منتقل می شوند. پس از وارونگی جمعیت برای سطوح عملیاتی با انرژی به دست آمد و , اولین فوتون های خود به خود منتشر شده مربوط به انتقال بین این سطوح، جهت انتشار ترجیحی ندارند و باعث انتشار تحریک شده می شوند، که همچنین در تمام جهات در کریستال یاقوت منتشر می شود. به یاد بیاورید که فوتون های تولید شده توسط گسیل تحریک شده در همان جهتی پرواز می کنند که فوتون های فرودی دارند. فوتون ها که جهت حرکت آنها زوایای کوچکی را با محور میله کریستالی تشکیل می دهند، بازتاب های متعددی را از انتهای آن تجربه می کنند. فوتون هایی که در جهات دیگر منتشر می شوند از کریستال یاقوت از طریق سطح جانبی آن خارج می شوند و در تشکیل تابش خروجی شرکت نمی کنند. به این ترتیب در تشدید کننده تولید می شود نان باریک نور و عبور مکرر فوتون ها از محیط فعال باعث گسیل فوتون های بیشتر و بیشتر شده و شدت پرتو خروجی را افزایش می دهد.

تولید تابش نور توسط لیزر روبی در شکل 1 نشان داده شده است. 6.3.

برنج. 6.3. تولید تابش از لیزر یاقوت

بنابراین، تشدید کننده نوری دو عملکرد را انجام می دهد: اولاً بازخورد مثبت ایجاد می کند و ثانیاً یک پرتو باریک هدایت شده از تابش با ساختار فضایی خاص را تشکیل می دهد.

در طرح سه سطحی در نظر گرفته شده، برای ایجاد وارونگی جمعیت بین سطوح کاری، لازم است کسر به اندازه کافی بزرگ از اتم ها تحریک شود، که نیاز به مصرف انرژی قابل توجهی دارد. موثرتر است طرح چهار سطحی, که در لیزرهای حالت جامد به عنوان مثال با استفاده از یون های نئودیمیم استفاده می شود. در رایج ترین لیزر گازی روی اتم های خنثی - هلیوم- لیزر نئون - شرایط تولید طبق یک طرح چهار سطحی نیز برآورده می شود. محیط فعال در چنین لیزری مخلوطی از گازهای بی اثر است - هلیوم و نئون با انرژی حالت پایه (که ما سطح صفر را در نظر می گیریم). پمپاژ در فرآیند تخلیه گاز الکتریکی انجام می شود که به دلیل آن اتم ها با انرژی به حالت برانگیخته می روند. . مرحله در اتم های نئون (شکل 6.4) نزدیک به سطح است در هلیوم، و هنگامی که اتم های هلیوم با اتم های نئون برخورد می کنند، انرژی برانگیختگی می تواند به طور موثری بدون تشعشع به اتم های هلیوم منتقل شود.

برنج. 6.4. نمودار سطح خیر- Ne-لیزر

بنابراین سطح نئون پرجمعیت‌تر از سطح پایین‌تر است . انتقال بین این سطوح عملیاتی با تابش با طول موج همراه است 632.8 نانومتر، که در صنعت پایه است ن-نه-لیزرها در سطح اتم های نئون مدت زیادی نمی مانند و به سرعت به حالت اولیه باز می گردند. توجه داشته باشید که سطح نئون جمعیت بسیار ناچیزی دارد و بنابراین برای ایجاد یک جمعیت معکوس بین و تحریک تعداد کمی از اتم های هلیوم ضروری است. این به انرژی بسیار کمتری برای پمپاژ و خنک کردن نصب نیاز دارد که برای یک طرح تولید چهار سطحی معمول است. برای لیزر لیزر، سطوح دیگری از نئون را می توان استفاده کرد (در شکل 6.4 نشان داده نشده است)، که تابش را در هر دو محدوده مرئی و IR تولید می کند، با هلیوم فقط برای فرآیند پمپاژ استفاده می شود.

مثال 2.اجازه دهید جمعیت تعادل نسبی سطح را پیدا کنیم در نئون در دمای اتاق

این مشکل تنها در مقادیر عددی با مشکل قبلی متفاوت است. برای تنوع، بیایید محاسبات را بر حسب الکترون ولت انجام دهیم. اجازه دهید ابتدا ثابت بولتزمن را در این واحدها بیان کنیم:

بنابراین در دمای اتاق

.

حالا به راحتی می توانیم پیدا کنیم

از نظر عملی، چنین عدد کمی با صفر تفاوتی ندارد، بنابراین، حتی با پمپاژ ضعیف، جمعیت معکوس بین سطوح ایجاد می شود. و .

تابش لیزر دارای ویژگی های مشخصه است:

انسجام زمانی و مکانی بالا (تابش تک رنگ و واگرایی پرتو کم)؛

شدت طیفی بالا

ویژگی های تابش به نوع لیزر و حالت عملکرد بستگی دارد، با این حال، برخی از پارامترهای نزدیک به مقادیر محدود را می توان ذکر کرد:

پالس های لیزری کوتاه (پیکوثانیه) هنگام مطالعه فرآیندهای سریع ضروری هستند. یک پیک توان بسیار بالا (تا چندین گیگاوات) را می توان در یک پالس ایجاد کرد که برابر با توان چندین واحد نیروگاه هسته ای هر یک میلیون کیلووات است. در این مورد، تابش می تواند در یک مخروط باریک متمرکز شود. چنین پرتوهایی به عنوان مثال، "جوش دادن" شبکیه را به فوندوس چشم امکان پذیر می کند.

انواع لیزر.به عنوان بخشی از یک دوره فیزیک عمومی، به دلیل تنوع بسیار زیاد، نمی‌توانیم به طور مفصل در مورد ویژگی‌های خاص و کاربردهای فنی انواع مختلف لیزرها صحبت کنیم. ما خود را به یک بررسی نسبتاً مختصر از انواع لیزرهایی که در ویژگی‌های محیط فعال و روش‌های پمپاژ متفاوت هستند محدود می‌کنیم.

لیزرهای حالت جامدآنها معمولاً پالسی هستند؛ اولین لیزری از این دست، لیزر یاقوتی بود که در بالا توضیح داده شد. لیزرهای شیشه ای با نئودیمیم به عنوان ماده کار محبوب هستند. آنها نوری با طول موج مرتبه تولید می کنند 1.06 میکرومتر، اندازه بزرگی دارند و حداکثر توان آن تا TW می باشد. می توان برای آزمایشات بر روی همجوشی گرما هسته ای کنترل شده استفاده کرد. یک نمونه لیزر بزرگ شیوا در آزمایشگاه لیورمور در ایالات متحده است.

لیزرهای بسیار رایج گارنت آلومینیوم ایتریوم با نئودیمیم (Nd:YAG) هستند که در محدوده مادون قرمز در طول موج ساطع می‌کنند. میکرومتر. آنها می توانند هم در حالت تولید پیوسته و هم در حالت پالسی با نرخ تکرار پالس تا چندین کیلوهرتز کار کنند (برای مقایسه: یک لیزر روبی هر چند دقیقه یک پالس دارد). آنها طیف گسترده ای از کاربردها را در فناوری الکترونیک (فناوری لیزر)، محدوده نوری، پزشکی و غیره دارند.

لیزرهای گازیاینها معمولاً لیزرهای پیوسته هستند. آنها با ساختار فضایی صحیح پرتو متمایز می شوند. مثال: لیزر هلیوم-نئون نور در طول موج تولید می کند 0,63 , 1,15 و 3.39 میکرومترو توانی در حد مگاوات دارد. به طور گسترده در فناوری استفاده می شود - لیزر با توان به ترتیب کیلووات و طول موج 9,6 و 10.6 میکرومتر. یکی از راه های پمپاژ لیزرهای گازی، تخلیه الکتریکی است. انواع لیزرها با محیط گازی فعال، لیزرهای شیمیایی و اگزایمر هستند.

لیزرهای شیمیاییوارونگی جمعیت توسط یک واکنش شیمیایی بین دو گاز مانند هیدروژن (دوتریوم) و فلوئور ایجاد می شود. بر اساس واکنش های گرمازا

.

مولکول ها HFدر حال حاضر با تحریک نوسانات متولد شده اند، که بلافاصله یک جمعیت معکوس ایجاد می کند. مخلوط کاری حاصل با سرعت مافوق صوت از یک تشدید کننده نوری عبور داده می شود که در آن بخشی از انرژی انباشته شده به شکل تابش الکترومغناطیسی آزاد می شود. با استفاده از سیستمی از آینه های تشدید کننده، این تابش به یک پرتو باریک متمرکز می شود. چنین لیزرهایی انرژی بالایی منتشر می کنند (بیشتر 2 کیلوژول) مدت زمان پالس تقریبا 30 ns، قدرت تا دبلیو. کارایی (شیمیایی) می رسد 10 % ، در حالی که معمولا برای انواع دیگر لیزر - کسری از درصد. طول موج تولید شده - 2.8 میکرومتر(3.8 میکرومتربرای لیزر روی DF).

از بین انواع متعدد لیزرهای شیمیایی، لیزرهای هیدروژن فلوراید (دوتریوم) به عنوان امیدوارکننده ترین لیزر شناخته می شوند. مشکلات: تابش لیزرهای هیدروژن فلوراید با طول موج مشخص شده به طور فعال توسط مولکول های آب که همیشه در جو وجود دارند پراکنده می شود. این امر به میزان زیادی روشنایی تابش را کاهش می دهد. لیزر فلوراید دوتریوم در طول موجی عمل می کند که جو تقریباً شفاف است. با این حال، آزاد شدن انرژی ویژه چنین لیزرهایی یک و نیم برابر کمتر از لیزرهای مبتنی بر آن است HF. این بدان معنی است که هنگام استفاده از آنها در فضا، مقدار بسیار بیشتری از سوخت شیمیایی باید حذف شود.

لیزرهای اگزایمرمولکول های Excimer مولکول های دو اتمی هستند (به عنوان مثال، ) که فقط می توانند در حالت برانگیخته باشند - حالت تحریک نشده آنها ناپایدار است. ویژگی اصلی لیزرهای اگزایمر به این بستگی دارد: حالت پایه مولکول های اگزایمر پر نشده است، یعنی سطح لیزر کار پایین تر همیشه خالی است. پمپاژ توسط یک پرتو الکترونی پالسی انجام می شود که بخش قابل توجهی از اتم ها را به حالت برانگیخته منتقل می کند و در آن به مولکول های excimer ترکیب می شوند.

از آنجایی که انتقال بین سطوح عملیاتی پهنای باند است، تنظیم فرکانس تولید امکان پذیر است. لیزر تابش قابل تنظیم در ناحیه UV تولید نمی کند ( نانومتر) و کارایی بالایی دارد ( 20 % ) تبدیل انرژی. در حال حاضر لیزرهای اگزایمر با طول موج 193 نانومتردر جراحی چشم برای تبخیر سطحی (ابلیشن) قرنیه استفاده می شود.

لیزرهای مایعماده فعال در حالت مایع همگن است و اجازه گردش برای خنک شدن را می دهد که مزایایی نسبت به لیزرهای حالت جامد ایجاد می کند. این به شما امکان می دهد انرژی و توان بالایی را در حالت های پالسی و پیوسته به دست آورید. اولین لیزرهای مایع (1964-1965) از ترکیبات خاکی کمیاب استفاده کردند. آنها با لیزر با استفاده از محلول های رنگ های آلی جایگزین شدند.

چنین لیزرهایی معمولاً از پمپاژ نوری تابش از لیزرهای دیگر در محدوده مرئی یا UV استفاده می کنند. یکی از ویژگی های جالب لیزرهای رنگی امکان تنظیم فرکانس تولید است. با انتخاب یک رنگ، لیزر را می توان در هر طول موجی از محدوده نزدیک به IR تا محدوده نزدیک به UV به دست آورد. این به دلیل طیف گسترده ارتعاشی-چرخشی مولکول های مایع است.

لیزرهای نیمه هادیلیزرهای حالت جامد بر اساس مواد نیمه هادی به یک کلاس جداگانه طبقه بندی می شوند. پمپاژ با بمباران با پرتو الکترونی، تابش لیزر قدرتمند، اما اغلب با روش های الکترونیکی انجام می شود. لیزرهای نیمه هادی از انتقال نه بین سطوح انرژی مجزای اتم ها یا مولکول ها، بلکه بین باندهای مجاز انرژی، یعنی مجموعه هایی از سطوح نزدیک استفاده می کنند (نوارهای انرژی در کریستال ها با جزئیات بیشتری در بخش های بعدی مورد بحث قرار می گیرند). استفاده از مواد نیمه هادی مختلف امکان به دست آوردن تابش در طول موج از 0,7 قبل از 1.6 میکرومتر. ابعاد عنصر فعال بسیار کوچک است: طول تشدید کننده می تواند کمتر از 1 میلی متر.

توان معمولی در حد چند کیلو وات است، مدت زمان پالس تقریباً است 3 ns، کارایی می رسد 50 % ، دارای طیف گسترده ای از کاربردها (فیبر نوری، ارتباطات). می توان از آن برای نمایش تصاویر تلویزیونی بر روی صفحه نمایش بزرگ استفاده کرد.

لیزرهای الکترون آزادپرتوی از الکترون‌های پرانرژی از یک "شانه مغناطیسی" عبور می‌کند - یک میدان مغناطیسی دوره‌ای مکانی که الکترون‌ها را مجبور به نوسان در یک فرکانس معین می‌کند. دستگاه مربوطه - یک موج‌ساز - مجموعه‌ای از آهنرباها است که بین بخش‌های شتاب‌دهنده قرار دارند، به طوری که الکترون‌های نسبیتی در امتداد محور موج‌گیر حرکت می‌کنند و به صورت عرضی به سمت آن نوسان می‌کنند و یک موج الکترومغناطیسی اولیه ("خود به خود") منتشر می‌کنند. در یک تشدیدگر باز، جایی که الکترون‌ها وارد می‌شوند، موج الکترومغناطیسی خود به خود تقویت می‌شود و تابش لیزری هدایت‌شده منسجم ایجاد می‌کند. ویژگی اصلی لیزرهای الکترون آزاد قابلیت تنظیم هموار فرکانس تولید (از محدوده مرئی تا محدوده IR) با تغییر انرژی جنبشی الکترون ها است. کارایی چنین لیزرهایی است 1 % در توان متوسط ​​تا 4 وات. با استفاده از دستگاه‌هایی برای برگرداندن الکترون‌ها به تشدیدگر، می‌توان بازده را افزایش داد 20–40 % .

لیزر اشعه ایکسبا پمپاژ هسته ایاین عجیب ترین لیزر است. از نظر شماتیک، یک کلاهک هسته ای را نشان می دهد که بر روی سطح آن حداکثر 50 میله فلزی نصب شده است که در جهت های مختلف قرار گرفته اند. میله ها دو درجه آزادی دارند و مانند لوله های تفنگ می توانند به هر نقطه ای از فضا هدایت شوند. در امتداد محور هر میله یک سیم نازک ساخته شده از یک ماده با چگالی بالا (به ترتیب چگالی طلا) - محیط فعال وجود دارد. منبع انرژی پمپاژ لیزر یک انفجار هسته ای است. در هنگام انفجار، ماده فعال به حالت پلاسما می رود. با خنک شدن فوری، پلاسما تابش منسجمی را در محدوده نرم اشعه ایکس ساطع می کند. به دلیل غلظت بالای انرژی، برخورد پرتو به هدف منجر به تبخیر انفجاری ماده، تشکیل موج ضربه ای و تخریب هدف می شود.

بنابراین، اصل عملکرد و طراحی لیزر اشعه ایکس دامنه کاربرد آن را آشکار می کند. لیزر توصیف شده دارای آینه های حفره ای نیست که استفاده از آنها در محدوده اشعه ایکس امکان پذیر نیست.

برخی از انواع لیزر در شکل زیر نشان داده شده است.

برخی از انواع لیزر: 1- لیزر آزمایشگاهی; 2- لیزر مداوم روشن;
3 - لیزر تکنولوژیکی برای سوراخ کردن سوراخ؛ 4- لیزر تکنولوژیکی قدرتمند

اجازه دهید یک سیستم دو سطحی با چگالی اتمی در پایین در نظر بگیریم n 1 و بالا n 2 سطح انرژی

احتمال انتقال اجباری از سطح اول به سطح دوم برابر است با:

جایی که σ 12- احتمال انتقال تحت تأثیر شدت تابش جی.

سپس تعداد انتقال های القایی در واحد زمان خواهد بود

.

سیستم می تواند از سطح دوم به دو صورت حرکت کند: اجباری و خود به خود. انتقال خود به خودی ضروری است تا سیستم بتواند پس از پایان تحریک خارجی به حالت تعادل ترمودینامیکی برسد. انتقال خود به خود را می توان به عنوان انتقال ناشی از تابش حرارتی محیط در نظر گرفت. تعداد انتقالات خود به خود در واحد زمان برابر است با , جایی که آ 2- احتمال انتقال خود به خود. تعداد انتقال اجباری از سطح دوم است

.

نسبت سطح مقطع جذب و انتشار موثر برابر است

جایی که g 1 ، گ 2 کثرت انحطاط سطح.

معادله تعادل با مجموع جمعیت سطوح تعیین می شود که باید با تعداد کل برابر باشد n 0 ذره در سیستم n 1 + n 2 =n 0 .

تغییر جمعیت در طول زمان با معادلات زیر توضیح داده شده است.

حل این معادلات به صورت زیر است.

.

جواب این معادلات در حالت ثابت، زمانی که مشتقات زمانی جمعیت ها برابر با صفر باشد:

جمعیت معکوس یک سیستم دو سطحی ارائه خواهد شد، یا

.

نتیجه آن این است که تنها زمانی که تعدد انحطاط سطح بالایی از تعدد انحطاط سطح اصلی بیشتر باشد، با در نظر گرفتن تلفات جمعیت به دلیل انتقال خود به خود، حالتی با جمعیت وارونه امکان پذیر است. برای سیستم های اتمی این بعید است. با این حال، برای نیمه هادی ها ممکن است، زیرا تعدد انحطاط حالت های نوار هدایت و باند ظرفیت با چگالی حالت ها تعیین می شود.

جمعیت معکوس سیستم های سه سطحی

اگر یک سیستم سه سطحی را با انرژی در نظر بگیریم E 1 , E 2 ، ای 3، و E 1 >E 2 > E 3 و جمعیت n 1 , n 2 ، n 3، سپس معادلات جمعیت ها خواهد بود.

حل این معادلات با توجه به جمعیت معکوس بدون در نظر گرفتن تفاوت در تعدد انحطاط سطوح در حالت ثابت خواهد بود:

در حالت ثابت

.

شرط وجود جمعیت معکوس Δ>0 برآورده می شود اگر

.

یک سیستم سه سطحی در نیمه هادی ها را می توان سیستمی در نظر گرفت که سطح پایین آن نوار ظرفیت و دو سطح بالایی دو حالت نوار رسانایی هستند. به طور معمول، در داخل نوار هدایت، احتمال انتقال غیر تابشی بسیار بیشتر از احتمال انتقال منطقه به ناحیه است، بنابراین A 32 » A 31، بنابراین شرایط وارونگی جمعیت به صورت زیر خواهد بود:

از آنجا که

,

که ρ 13 چگالی انرژی پمپ متوسط ​​در باند جذب ماده فعال است؛ این شرط می تواند برآورده شود.

هدایت الکتریکی در میدان های الکتریکی قوی

قانون غیر خطی اهم

در میدان های الکتریکی قوی، نیروی وارد بر ذره افزایش می یابد که منجر به افزایش سرعت ذره می شود. تا زمانی که سرعت ذرات کمتر از سرعت حرکت حرارتی باشد، تأثیر میدان الکتریکی بر هدایت الکتریکی ناچیز است و قانون خطی اهم برآورده می‌شود. با افزایش قدرت میدان الکتریکی، سرعت رانش ذره افزایش می‌یابد و وابستگی هدایت الکتریکی به شدت میدان الکتریکی خطی می‌شود.

از آنجایی که میانگین مسیر آزاد در حین پراکندگی توسط ارتعاشات شبکه کریستالی به انرژی بستگی ندارد، پس با افزایش قدرت میدان الکتریکی و سرعت رانش، زمان آرامش کاهش می‌یابد و تحرک کاهش می‌یابد. نیروی وارد بر ذره در میدان الکتریکی با شدت Eمساوی با او. این نیرو باعث شتاب می شود و سرعت حرارتی ذره را تغییر می دهد v T. تحت تأثیر میدان الکتریکی، یک ذره شتاب می گیرد و در واحد زمان انرژی برابر با کار نیروها به دست می آورد. او:

(7.1) .

از طرف دیگر، انرژی از دست رفته توسط یک ذره در یک برخورد یا در طول مسیر آزاد آن کسری کوچک (ξ) از کل انرژی است. تیو در واحد زمان بنابراین می توانیم بنویسیم: .

با معادل سازی این عبارت با فرمول (7.1)، می توانیم معادله ای برای قدرت میدان الکتریکی و سرعت ذرات بدست آوریم:

(7.2) ، یا . .

برای پراکندگی توسط نوسانات، مسیر آزاد متوسط ​​ثابت است، سپس سرعت به شدت میدان الکتریکی بستگی دارد:

(7.3) .

جایی که تحرک به شدت میدان الکتریکی به شرح زیر بستگی دارد:

با افزایش قدرت میدان الکتریکی، تحرک کاهش می یابد.

قانون غیر خطی اهم در میدان های قوی به شکل زیر خواهد بود: .

اثر زینر

اثر زینر خود را در گسیل میدانی الکترون ها به دلیل انتقال تونل زنی منطقه به ناحیه نشان می دهد. هنگامی که یک الکترون از یک محل شبکه کریستالی به محل دیگر حرکت می کند، لازم است بر سد پتانسیل جداکننده این دو مکان غلبه کرد. این مانع بالقوه شکاف باند را تعیین می کند. اعمال میدان الکتریکی مانع پتانسیل را در جهت مخالف جهت میدان الکتریکی خارجی کاهش می دهد و احتمال انتقال تونل زنی الکترون از حالت محدود به هسته به نوار رسانایی را افزایش می دهد. طبیعتاً این انتقال با الکترون‌های باند ظرفیت اتفاق می‌افتد و جریان الکترون‌ها از گره‌ای از شبکه بلوری به حالت آزاد نوار رسانایی هدایت می‌شود. این اثر شکست زینر یا انتشار الکترون سرد نیز نامیده می شود. در میدان های الکتریکی با قدرت 10 4 – 10 5 V/cm مشاهده می شود.

اثر استارک

اثر استارک منجر به تغییر انرژی سطوح اتمی و گسترش باند ظرفیت می شود. این مشابه کاهش شکاف نواری و افزایش غلظت تعادل الکترون ها و حفره ها است.

در ایالت های دور r 0 از هسته یک اتم، نیروی وارد بر الکترون از میدان الکتریکی خارجی می تواند نیروی جاذبه به هسته را متعادل کند:

در این حالت می توان الکترون را از اتم جدا کرد و به حالت آزاد منتقل کرد. از فرمول (7.6)، فاصله یونیزاسیون برابر است با:

این اثر مانع پتانسیل انتقال یک الکترون به حالت آزاد را به مقدار:

(7.7) .

کاهش در مانع پتانسیل منجر به افزایش احتمال تحریک حرارتی به مقدار:

(7.8) .

این اثر در میدان های الکتریکی با قدرت 10 5 – 10 6 V/cm مشاهده می شود.

اثر گان

این اثر در نیمه هادی هایی با دو حداقل انرژی نوار رسانایی با انحنای متفاوت مشاهده می شود و جرم موثر حداقل محلی باید بیشتر از جرم موثر حالت پایه حداقل مطلق باشد. در سطوح تزریق قوی، الکترون ها می توانند حالت های حداقل زمین را پر کنند و از حداقل زمین به حداقل محلی دیگر حرکت کنند. از آنجایی که جرم الکترون ها در حداقل محلی زیاد است، تحرک رانش الکترون های منتقل شده کمتر خواهد بود که منجر به کاهش رسانایی الکتریکی می شود. این کاهش باعث کاهش جریان و کاهش تزریق به باند رسانایی می شود که منجر به رسوب الکترون ها در مینیمم اصلی نوار رسانایی، بازیابی حالت اولیه و افزایش جریان می شود. در نتیجه نوسانات جریان با فرکانس بالا رخ می دهد.

این اثر در GaAs مشاهده شد nزمانی که به نمونه ای به طول 0.025 میلی متر تغذیه می شود، تایپ کنید. پالس ولتاژ 16 ولت با مدت زمان 10 8 هرتز. فرکانس نوسان 10 9 هرتز بود.

اثر هان در میدان هایی مشاهده می شود که سرعت رانش با سرعت حرارتی الکترون ها قابل مقایسه است.

اکسیتون ها در جامدات

ماهیت اکسایتون

اگر یک کریستال توسط یک میدان الکترومغناطیسی برانگیخته شود، آنگاه الکترون‌ها از نوار رسانایی به نوار ظرفیت حرکت می‌کنند و یک جفت الکترون-حفره را تشکیل می‌دهند: یک الکترون در نوار رسانایی و یک حفره در نوار ظرفیت. سوراخ به عنوان یک بار مثبت ظاهر می شود، زیرا عدم وجود بار منفی یک الکترون در باند ظرفیت الکتروخنثی منجر به ظاهر شدن یک بار مثبت می شود. بنابراین، یک تعامل جذابیت در درون زوج رخ می دهد. از آنجایی که انرژی جاذب منفی است، انرژی انتقال حاصل کمتر از انرژی شکاف نواری به میزان انرژی جذاب بین الکترون و حفره در جفت خواهد بود. این انرژی را می توان به صورت زیر نوشت:

جایی که - ه- بار الکترونی، Ze- بار اتمی که الکترون از آن وارد نوار رسانایی شده است، آره- فاصله بین الکترون و حفره، ضریب e که کاهش برهمکنش بین الکترون و حفره را در مقایسه با برهمکنش بارهای نقطه ای در خلاء یا ثابت دی الکتریک از نوع میکروسکوپی تعیین می کند.

اگر انتقال الکترون در محل خنثی شبکه کریستالی رخ دهد، پس ز=1 و بار سوراخ است هبار یک الکترون با علامت مخالف اگر ظرفیت یک مکان با ظرفیت اتم های اصلی شبکه کریستالی یک تفاوت داشته باشد، آنگاه ز=2.

ثابت دی الکتریک نوع میکروسکوپی e توسط دو عامل تعیین می شود:

· برهمکنش بین یک الکترون و یک حفره در یک محیط کریستالی رخ می دهد. این باعث قطبی شدن شبکه کریستالی شده و نیروی برهمکنش بین الکترون و حفره ضعیف می شود.

یک الکترون و یک حفره در یک کریستال را نمی توان به عنوان بارهای نقطه ای نشان داد، بلکه به عنوان بارهایی که چگالی آنها در فضا "آلوده شده" است. این امر نیروی برهمکنش بین الکترون و حفره را کاهش می دهد. وضعیت مشابهی را می توان در اتم ها مشاهده کرد. برهمکنش بین الکترون ها در یک اتم 5-7 برابر کمتر از برهمکنش بین یک الکترون و یک هسته است، اگرچه فاصله بین آنها قابل مقایسه است. این به دلیل این واقعیت است که الکترون‌های موجود در مدار در یک نقطه متمرکز نیستند، اما با چگالی توزیع مشخص می‌شوند که برهمکنش بین آنها را کاهش می‌دهد. هسته یک اتم را می توان با درجه ای از دقت به عنوان بار نقطه ای نشان داد، بنابراین برهمکنش الکترون ها با هسته بیشتر از برهمکنش بین الکترون ها خواهد بود که ثبات وجود اتم ها را تضمین می کند.

تأثیر این دو عامل برای اکسیتون‌های انواع مختلف متفاوت است: اکسیتون‌های فرنکل (شعاع کوچک) و اکسیتون‌های Wannier (شعاع بزرگ).

انرژی و شعاع اکسایتون

انرژی اتصال اکسایتون به فاصله بین الکترون و حفره بستگی دارد. یک الکترون و یک حفره نسبت به مرکز جرم در مداری با شعاع اکسایتون حرکت می کنند آره. برای وجود پایدار یک اکسایتون، لازم است که یک موج ایستاده با تعداد امواج در مدار اکسایتون تشکیل شود. n..از کجا می توانید نسبت را دریافت کنید:

جایی که آر- میزان حرکت یک الکترون و یک حفره نسبت به یکدیگر. مقدار حرکت را می توان از طریق انرژی جنبشی T حرکت نسبی الکترون و حفره بیان کرد: که m جرم کاهش یافته اکسایتون است.

جرم اکسایتون کاهش یافته باید از جرم موثر الکترون و حفره به عنوان یک مقدار متوسط ​​هارمونیک تشکیل شود. اگر جرم حفره بزرگ باشد، انرژی جنبشی اکسایتون یا انرژی جنبشی حرکت الکترون نسبت به حفره باید توسط جرم الکترون تعیین شود. از همین رو

اگر جرم موثر الکترون ها و حفره ها برابر باشد، جرم اکسایتون کاهش یافته برابر با ½ است، اگر یک اکسایتون موضعی وجود داشته باشد، پس متر ساعت>>m eو جرم اکسایتون کاهش یافته برابر با واحد است.

برای یک اکسایتون رایگان ز=1، m¢=1/2، انرژی اکسایتون و شعاع برابر است

(8.7) .

برای یک اکسایتون موضعی ز=2، m¢=1 انرژی اکسایتون و شعاع برابر است

(8.8) .

بنابراین، معلوم می شود که انرژی سطوح اکسایتون آزاد 8 برابر کمتر از انرژی یک اکسایتون موضعی است و شعاع آن 4 برابر بزرگتر است.

در نگاه اول، وارونگی جمعیت را می توان در محیطی با دو سطح انرژی E 1 و E 2 > E 1 ایجاد کرد. به عنوان مثال، این کار را می توان با تابش فوتون به محیط با فرکانس . زیرا در شرایط عادی N 2 E 2 از E 2 => E 1.

با این حال، زمانی که جمعیت ها برابر N 2 = N 1 باشند، فرآیندهای انتشار و جذب تحریک شده یکدیگر را جبران می کنند و ایجاد وارونگی غیرممکن خواهد بود.

بنابراین، برای لیزر، از رسانه هایی استفاده می شود که در آن ذرات می توانند نه دو، بلکه سه یا چهار سطح را اشغال کنند.

در مورد یک سیستم سه سطحی (شکل)، سطح E 2 باید متاپایدار باشد، یعنی. طول عمر یک ذره در این سطح بسیار بیشتر از طول عمر در سایر سطوح حالت برانگیخته است. این بدان معنی است که W 21<N 1 که برای تولید تابش لیزر به دلیل انتقال E 2 => E 1 استفاده می شود. علاوه بر این، انتقال E 3 => E 2 بدون تابش با انتقال انرژی به شبکه کریستالی به شکل گرما رخ می دهد. نمونه ای از چنین محیطی یاقوت سرخ با مخلوطی از یون های کروم است.

در مورد یک سیستم چهار سطحی، سطح E 2 ناپایدار است، در حالی که W 21<N 1 که برای تولید تابش لیزر استفاده می شود - به دلیل انتقال از E 2 به E 1. سپس یک انتقال سریع از E 1 به E 0 بدون تشعشع وجود دارد. در یک سیستم چهار سطحی، ایجاد وارونگی جمعیت آسانتر است، زیرا سطح E 1 در ابتدا بسیار کم جمعیت است و حتی با انتقال جزئی ذرات به سطح E 2، وارونگی جمعیت ایجاد می شود. یک مثال شیشه با نئودیمیم و همچنین یک محیط فعال گازی است که در لیزرهای گاز CO 2 استفاده می شود. ایجاد وارونگی جمعیت در محیط فعال را فرآیند پمپاژ (یا به سادگی پمپاژ شده).

وارونگی جمعیت

در فیزیک، حالتی از ماده که در آن سطوح انرژی بالاتر ذرات تشکیل دهنده آن (اتم‌ها، مولکول‌ها و غیره) بیشتر از ذرات «جمعیت» بیشتری نسبت به ذرات پایین‌تر دارند (به جمعیت سطح مراجعه کنید). در شرایط عادی (در تعادل حرارتی)، رابطه معکوس رخ می دهد: ذرات کمتری در سطوح بالا نسبت به سطوح پایین تر وجود دارد (به آمار بولتزمن مراجعه کنید).

دایره المعارف بزرگ شوروی. - م.: دایره المعارف شوروی. 1969-1978 .

ببینید «وارونگی جمعیت» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

- (از لاتین inversio، inversion، rearrangement)، یک حالت غیر تعادلی در va، که در آن نابرابری زیر برای اجزای سازنده آن (اتم‌ها، مولکول‌ها و غیره) برقرار است: N2/g2>N1/g1، که در آن N2 و N1 هستند. جمعیت بالاست و پایین تر سطوح انرژی، g2 و g1 آنها... ... دایره المعارف فیزیکی

دایره المعارف مدرن

وارونگی جمعیت- (از لاتین inversio، برگرداندن، تنظیم مجدد)، حالت غیر تعادلی ماده، که در آن، بر خلاف حالت معمول تعادل حرارتی، تعداد ذرات (اتم‌ها، مولکول‌ها) سازنده ماده برابر است. بالاتر...... فرهنگ لغت دایره المعارف مصور

وارونگی جمعیت- حالت غیر تعادلی یک ماده که در آن جمعیت (غلظت) ذرات تشکیل دهنده آن (الکترون ها، اتم ها، مولکول ها و غیره) در سطوح انرژی برانگیخته (بالا) بیشتر از جمعیت سطح تعادل (پایین) است. لازم است... دایره المعارف بزرگ پلی تکنیک

حالت غیرتعادلی ماده که در آن جمعیت سطح بالایی یک جفت انرژی یک نوع اتم (یون‌ها، مولکول‌ها) که ماده را تشکیل می‌دهند از جمعیت اتم پایینی بیشتر است. وارونگی جمعیت زیربنای عملکرد لیزرها و... ... فرهنگ لغت دایره المعارفی

یک حالت غیرتعادلی در VA، که در آن جمعیت سطح بالای یک جفت انرژی یک نوع اتم (یون‌ها، مولکول‌ها) موجود در VA از جمعیت پایین‌تر بیشتر است. من و. زیربنای عملکرد لیزرها و سایر دستگاه های کوانتومی است... ... علوم طبیعی. فرهنگ لغت دایره المعارفی

یکی از مفاهیم اساسی فیزیک و مکانیک آماری است که برای توصیف اصول عملکرد لیزرها استفاده می شود. مطالب 1 توزیع بولتزمن و تعادل ترمودینامیکی ... ویکی پدیا

وارونگی جمعیت های الکترونیکی یکی از مفاهیم اساسی فیزیک و مکانیک آماری است که برای توصیف اصول عملکرد لیزرها استفاده می شود. مطالب 1 توزیع بولتزمن و تعادل ترمودینامیکی ... ویکی پدیا

وارونگی جمعیت های الکترونیکی یکی از مفاهیم اساسی فیزیک و مکانیک آماری است که برای توصیف اصول عملکرد لیزرها استفاده می شود. مطالب 1 توزیع بولتزمن و تعادل ترمودینامیکی ... ویکی پدیا

وارونگی جمعیت غلظت اتم هایی با حالت انرژی یکسان است. در تعادل ترمودینامیکی از آمار بولتزمن تبعیت می کند:

غلظت اتم ها کجاست، حالت الکترون هایی که در آن با سطوح انرژی با انرژی و .

هنگامی که غلظت اتم های تحریک نشده بیشتر از اتم های برانگیخته است، مقدار Δn = منفی است، بنابراین، جمعیت نرمال است. هنگامی که غلظت اتم های برانگیخته بیشتر از اتم های تحریک نشده باشد (که توسط انرژی پمپ تضمین می شود)، مقدار Δn مثبت می شود، یعنی وارونگی جمعیت رخ می دهد و تشعشعات ارسالی می تواند به دلیل اتم های برانگیخته تقویت شود.

به طور رسمی، شرط Δn > 0 در دمای منفی مطلق T برآورده می شود< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

در لیزرهای نیمه هادی، وارونگی بین جمعیت سطوح انرژی نوار هدایت و باند ظرفیت با تزریق حامل ها در یک بایاس مثبت اتصال pn به دست می آید.

تقویت لیزر

تقویت لیزری تقویت تابش نوری بر اساس استفاده از تابش القایی است - هنگامی که یک کوانتوم تابشی بر روی یک اتم در حالت برانگیخته عمل می کند، یک الکترون از یک حالت دارای انرژی به یک حالت با انرژی تبدیل می شود که همراه با گسیل یک تابش است. کوانتومی با انرژی برابر با انرژی کوانتوم هیجان انگیز hν = – .

در محیطی با غلظت کافی از اتم های برانگیخته هنگامی که تشعشع از آن عبور می کند، اگر تعداد فوتون های تولید شده به طور قابل توجهی بیشتر از تلفات ناشی از جذب و پراکندگی باشد، می توان حالت تقویت را به دست آورد.

لیزر تزریقی در شکل 1.3 نشان داده شده است

برنج. 1.3. طرح دستگاه لیزر تزریق نیمه هادی (دیود لیزر)

در شکل 1. شکل 4 موقعیت سطح فرمی را در نیمه هادی های ذاتی و ناخالصی نشان می دهد. یکی از خصوصیات مهم تراز فرمی این است که در سیستمی متشکل از نیمه هادی های نوع n و p و در صورت عدم اعمال ولتاژ به آنها، سطوح فرمی آنها تراز می شوند (شکل 1. 4 a). و اگر آنها تحت پتانسیل های مختلف باشند، سطوح فرمی در آنها با مقدار اختلاف پتانسیل تغییر می کند (شکل 1. 4. b).

عکس. 1. 4. نمودار انرژی یک لیزر نیمه هادی تزریقی: اتصال p-n بدون ولتاژ خارجی اعمال شده (a); اتصال p-n هنگام اعمال ولتاژ خارجی در جهت جلو (b). d عرض اتصال p-n است، l عرض واقعی ناحیه ای است که عملکرد لیزر را تضمین می کند.

در این حالت، یک جمعیت معکوس در ناحیه اتصال pn ایجاد می‌شود و الکترون‌ها از باند رسانایی به نوار ظرفیت (بازترکیب با حفره‌ها) انتقال می‌دهند. در این حالت فوتون ها ساطع می شوند. یک LED بر اساس این اصل کار می کند. اگر بازخورد مثبت برای این فوتون ها به شکل یک تشدید کننده نوری ایجاد شود، می توان لیزر لیزری را در ناحیه اتصال pn در مقادیر زیادی از ولتاژ اعمال شده خارجی به دست آورد. در این حالت، فرآیند تشکیل و بازترکیب حامل های غیرتعادلی به طور آشفته رخ می دهد و تابش دارای قدرت کم و غیر منسجم و غیر تک رنگ است. این مربوط به حالت LED عملکرد امیتر نیمه هادی است. هنگامی که جریان بالاتر از مقدار آستانه افزایش می یابد، تابش منسجم می شود، عرض طیفی آن به شدت باریک می شود و شدت به شدت افزایش می یابد - حالت لیزری کار تابش نیمه هادی آغاز می شود. در همان زمان، درجه قطبش خطی تشعشعات تولید شده نیز افزایش می یابد.

در شکل 1. شکل 5 به صورت شماتیک طراحی یک لیزر نیمه هادی و توزیع شدت تابش خروجی را نشان می دهد. به عنوان یک قاعده، در چنین لیزری یک تشدید کننده با صیقل دادن دو طرف قطری مخالف کریستال، عمود بر صفحه اتصال pn ایجاد می شود. این هواپیماها به صورت موازی ساخته شده و با دقت بالایی صیقل داده می شوند. سطح خروجی را می توان شکافی در نظر گرفت که تشعشع از آن عبور می کند. واگرایی زاویه ای تابش لیزر با پراش تابش در این شکاف تعیین می شود. با ضخامت اتصال p-n 20 میکرومتر و عرض 120 میکرومتر، واگرایی زاویه ای تقریباً با 60 در صفحه XZ و 10 در صفحه YZ مطابقت دارد.

عکس. 1. 5. نمودار شماتیک لیزر اتصال pn. 1-منطقه اتصال p-n (لایه فعال). 2-بخش پرتو لیزر در صفحه XY.

لیزرهای نیمه هادی مدرن به طور گسترده ای از ساختارهای ناهمسان نیمه هادی استفاده می کنند که در توسعه آن ها، آکادمی آکادمی علوم روسیه ژ. آی. آلفروف (جایزه نوبل 2000) سهم قابل توجهی داشت. لیزرهای مبتنی بر ساختارهای ناهمگون ویژگی های بهتری دارند، به عنوان مثال، توان خروجی بالاتر و واگرایی کمتر. نمونه ای از یک ساختار ناهمسان دوگانه در شکل 1 نشان داده شده است. 1. 6، و نمودار انرژی آن در شکل. 1. 7.

برنج. 1.6. هتروساختار دو نیمه هادی. 1-لایه فلزی رسانا برای ایجاد تماس الکتریکی. GaAs 2 لایه (n)؛ 3 لایه Al0.3Ga0.7As (n); 4 لایه مربوط به منطقه تزریق حامل بار (اتصال p-n)؛ 5 لایه Al0.3Ga0.7As (p); GaAs 6 لایه (p); 7-لایه اکسید فلزی غیر رسانا برای محدود کردن جریان از طریق اتصال p-n، تشکیل منطقه تولید تشعشع. 8،9-لایه های مجاور برای ایجاد تماس الکتریکی. 10- بستر با هیت سینک.

برنج. 1.7 نمودار انرژی یک ساختار ناهمگون دوتایی، محور Y و اعداد لایه مطابق با شکل. 1. 6. ΔEgc-bandgap width; ΔEgv شکاف نواری اتصال p-n است.

برنج. 1. 8. لیزر نیمه هادی با ساختار ناهمگون: l - طول حفره

محیط فعال

محیط فعال ماده ای است که در آن جمعیت معکوس ایجاد می شود. در انواع مختلف لیزر، می تواند جامد (کریستال های گارنت آلومینیوم یاقوت یا ایتریم، شیشه با مخلوط نئودیمیم به شکل میله هایی با اندازه ها و اشکال مختلف)، مایع (محلول رنگ های آنیلین یا محلول نمک های نئودیمیم) باشد. در کووت ها) و گازی (مخلوطی از هلیوم با نئون، آرگون، دی اکسید کربن، بخار آب کم فشار در لوله های شیشه ای). مواد نیمه هادی و پلاسمای سرد، محصولات واکنش شیمیایی نیز تابش لیزر تولید می کنند. لیزرها بسته به محیط فعال مورد استفاده نامگذاری می شوند.

اگرچه لیزرهای نیمه هادی حالت جامد هستند، اما معمولاً در یک گروه خاص طبقه بندی می شوند. در این لیزرها به دلیل انتقال الکترون ها از لبه پایینی نوار رسانایی به لبه بالایی نوار ظرفیت، تابش همدوس تولید می شود.

دو نوع لیزر نیمه هادی وجود دارد.

اولی دارای یک ویفر نیمه هادی خالص است که در آن GaAs آرسنید گالیم، CdS سولفید کادمیوم یا CdSe سلنید کادمیوم به عنوان نیمه هادی استفاده می شود.

نوع دوم لیزر نیمه هادی - به اصطلاح لیزر تزریقی - از نیمه هادی های ناخالصی تشکیل شده است که غلظت ناخالصی های دهنده و گیرنده در آنها 1018-1019 است. گالیوم آرسنید GaAs عمدتاً برای لیزرهای تزریقی استفاده می شود.

شرط ایجاد وارونگی جمعیت برای نیمه هادی ها در فرکانس v به شکل زیر است:

∆F= - >hv

یعنی برای اینکه تشعشع در یک تک کریستال نیمه هادی تقویت شود، فاصله بین سطوح فرمی برای الکترون ها و حفره ها باید بیشتر از انرژی کوانتومی نور hv باشد. هرچه فرکانس کمتر باشد، سطح تحریک کمتر، جمعیت معکوس حاصل می شود.

سیستم پمپاژ

پمپاژ یک جمعیت معکوس در محیط فعال ایجاد می کند و راحت ترین و کارآمدترین روش پمپاژ برای هر محیط انتخاب می شود. در لیزرهای حالت جامد و مایع، از لامپ های پالسی یا لیزر استفاده می شود، محیط های گازی با تخلیه الکتریکی و نیمه هادی ها توسط جریان الکتریکی برانگیخته می شوند.

لیزرهای نیمه هادی از پمپاژ با پرتو الکترونی (برای لیزرهای نیمه هادی از یک نیمه هادی خالص) و ولتاژ مستقیم (برای لیزرهای نیمه هادی تزریقی) استفاده می کنند.

پمپاژ توسط پرتو الکترونی می تواند عرضی (شکل 3.1) یا طولی (شکل 3.2) باشد. در حین پمپاژ عرضی، دو وجه متضاد کریستال نیمه هادی صیقلی می شوند و نقش آینه یک تشدید کننده نوری را بازی می کنند. در مورد پمپاژ طولی از آینه های خارجی استفاده می شود. با پمپاژ طولی، خنک سازی نیمه هادی به طور قابل توجهی بهبود می یابد. نمونه ای از این لیزرها، لیزر سولفید کادمیوم است که تابش با طول موج 0.49 میکرومتر تولید می کند و بازدهی حدود 25٪ دارد.

برنج. 3.1 - پمپاژ عرضی توسط پرتو الکترونی

برنج. 3.2 - پمپاژ طولی با پرتو الکترونی

لیزر تزریقی دارای یک اتصال pn است که توسط دو نیمه هادی ناخالصی منحط تشکیل شده است. هنگامی که یک ولتاژ رو به جلو اعمال می شود، مانع پتانسیل در اتصال pn کاهش می یابد و الکترون ها و حفره ها تزریق می شوند. در ناحیه انتقال، نوترکیبی شدید حامل‌های بار آغاز می‌شود، که طی آن الکترون‌ها از نوار رسانایی به باند ظرفیت حرکت می‌کنند و تابش لیزر رخ می‌دهد (شکل 3.3).

برنج. 3.3 - اصل طراحی لیزر تزریقی

پمپاژ عملیات لیزری پالسی یا پیوسته را فراهم می کند.

طنین انداز

تشدید کننده یک جفت آینه موازی با یکدیگر است که محیط فعال بین آنها قرار می گیرد. یک آینه ("ناشنوا") تمام نوری را که روی آن می افتد منعکس می کند. دوم، نیمه شفاف، بخشی از تابش را برای انتشار تحریک شده به محیط باز می گرداند، و بخشی به شکل پرتو لیزر به بیرون خروجی می شود. یک منشور داخلی کامل اغلب به عنوان یک آینه "ناشنوا" استفاده می شود و یک پشته از صفحات شیشه ای به عنوان یک آینه نیمه شفاف استفاده می شود. علاوه بر این، با انتخاب فاصله بین آینه ها، تشدید کننده را می توان به گونه ای پیکربندی کرد که لیزر تنها یک نوع تشعشع کاملاً تعریف شده (به اصطلاح حالت) تولید کند.

ساده ترین تشدید کننده نوری که به طور گسترده در انواع لیزرها مورد استفاده قرار می گیرد، تشدید کننده تخت (تداخل سنج فابی-پروت) است که از دو صفحه موازی صفحه تشکیل شده است که در فاصله ای از یکدیگر قرار دارند.

به عنوان یک صفحه، می توانید از یک آینه بازتابنده استفاده کنید که ضریب انعکاس آن نزدیک به وحدت است. صفحه دوم باید شفاف باشد تا تابش تولید شده بتواند از تشدید کننده خارج شود. برای افزایش انعکاس سطوح صفحات، معمولاً پوشش های بازتابنده دی الکتریک چند لایه روی آنها اعمال می شود. در چنین پوشش هایی عملاً هیچ جذب نوری وجود ندارد. گاهی اوقات پوشش‌های بازتابنده مستقیماً به انتهای موازی میله‌های متوسط ​​فعال اعمال می‌شوند. پس دیگر نیازی به آینه های راه دور نیست.

برنج. 4.1. انواع تشدید کننده های نوری: a - تخت، b - منشور، c - هم کانونی، d - نیمه متحدالمرکز، e - کامپوزیت، f - حلقه، g، h - متقاطع، i - با آینه براگ. عناصر فعال سایه دار هستند.

یک منشور مستطیل شکل می تواند به عنوان یک آینه بازتابنده در یک حفره نوری استفاده شود (شکل 4.1، b). پرتوهای نوری که عمود بر صفحه داخلی منشور فرو می‌آیند، در نتیجه بازتاب کلی مضاعف، در جهتی موازی با محور تشدیدگر از آن خارج می‌شوند.

به جای صفحات تخت، می توان از آینه های نیمه شفاف مقعر در تشدید کننده های نوری استفاده کرد. دو آینه با شعاع انحنای یکسان، قرار گرفته اند به طوری که کانون های آنها در همان نقطه Ф (شکل 4.1، ج)، یک تشدید کننده هم کانونی را تشکیل می دهند. فاصله بین آینه ها l=R است. اگر این فاصله نصف شود به طوری که کانون یکی از آینه ها روی سطح آینه دیگر باشد، تشدید کننده کانفوکال به دست می آید.

برای تحقیقات علمی و اهداف عملی مختلف، از تشدید کننده های پیچیده تری استفاده می شود که نه تنها از آینه ها، بلکه سایر عناصر نوری نیز تشکیل شده است که کنترل و تغییر ویژگی های تابش لیزر را ممکن می کند. به عنوان مثال، شکل. 4. 1، d. - تشدید کننده مرکب که در آن تابش تولید شده از چهار عنصر فعال خلاصه می شود. ژیروسکوپ های لیزری از یک تشدید کننده حلقه ای استفاده می کنند که در آن دو پرتو در جهت مخالف در امتداد یک خط شکسته بسته منتشر می شوند (شکل 4. 1e).

برای ایجاد عناصر منطقی کامپیوترها و ماژول های یکپارچه، از تشدید کننده های متقاطع چند جزئی استفاده می شود (شکل 4. 1. g, h). این اساسا مجموعه ای از لیزرها است که می توانند به طور انتخابی تحریک شوند و توسط جفت نوری قوی به یکدیگر متصل شوند.

دسته خاصی از لیزرها، لیزرهایی با بازخورد توزیع شده هستند. در تشدید کننده های نوری معمولی، بازخورد به دلیل انعکاس تابش تولید شده از آینه های تشدید کننده برقرار می شود. با توزیع بازخورد، بازتاب از یک ساختار تناوبی ناهمگن نوری رخ می دهد. نمونه ای از چنین ساختاری توری پراش است. می توان آن را به صورت مکانیکی (شکل 4. 1، i) یا با عمل انتخابی روی یک محیط همگن ایجاد کرد.

از دیگر طرح های تشدید کننده نیز استفاده می شود.

طبق تعریف، عناصر تشدید کننده باید شامل دریچه های غیرفعال و فعال، تعدیل کننده های تشعشع، پلاریزرها و سایر عناصر نوری مورد استفاده برای به دست آوردن لیزر باشد.

از دست دادن حفره

تولید تابش را می توان به صورت زیر ساده کرد: ماده کار لیزر در یک تشدید کننده قرار می گیرد و سیستم پمپاژ روشن می شود. تحت تأثیر تحریک خارجی، جمعیت معکوس سطوح ایجاد می شود و ضریب جذب در یک محدوده طیفی خاص کمتر از صفر می شود. در طی فرآیند تحریک، حتی قبل از ایجاد وارونگی جمعیت، ماده کار شروع به درخشندگی می کند. با عبور از محیط فعال، انتشار خود به خودی افزایش می یابد. مقدار بهره توسط حاصل ضرب بهره و طول مسیر نور در محیط فعال تعیین می شود. در هر نوع تشدیدگر چنان جهت های انتخابی وجود دارد که پرتوهای نور به دلیل انعکاس از آینه ها، اصولاً تعداد بی نهایت بار از محیط فعال عبور می کنند. به عنوان مثال، در یک تشدیدگر مسطح، تنها پرتوهایی که به موازات محور تشدید کننده منتشر می شوند، می توانند از محیط فعال عبور کنند. تمام پرتوهای دیگر که با زاویه ای نسبت به محور تشدید کننده بر روی آینه ها می تابند پس از یک یا چند بازتاب از آن خارج می شوند. اینگونه زیان ها ظاهر می شوند.

چندین نوع تلفات در رزوناتور وجود دارد:

1. ضرر در آینه.

از آنجایی که بخشی از تشعشع تولید شده در محیط باید از تشدیدگر حذف شود، آینه های مورد استفاده (حداقل یکی از آنها) شفاف ساخته می شوند. اگر ضرایب انعکاس شدت آینه ها برابر با R1 و R2 باشد، ضریب تلفات مفید برای تابش خروجی از تشدیدگر در واحد طول با فرمول داده می شود:

2. تلفات هندسی

اگر پرتو در داخل تشدید کننده به طور کاملاً نرمال نسبت به سطوح آینه ها انتشار یابد، پس از تعداد معینی انعکاس به لبه های آینه می رسد و تشدید کننده را ترک می کند.

3. تلفات پراش.

بیایید تشدید کننده ای را در نظر بگیریم که توسط دو آینه مدور موازی با شعاع a تشکیل شده است. بگذارید یک پرتو موازی تابش با طول موج λ به آینه 2 برخورد کند. پرتو از آینه منعکس می شود و به طور همزمان به زاویه ای از مرتبه d φ ≈ λ a منعکس می شود. عدد فرنل برای یک تشدیدگر معین، تعداد عبورهای بین آینه‌ها زمانی است که واگرایی پرتو نهایی به زاویه خروج تابش فراتر از لبه‌های آینه می‌رسد ϕ=a/L.

4. پراکندگی توسط ناهمگنی های محیط فعال.

اگر تشدید کننده با یک محیط فعال پر شود، منابع اضافی تلفات ایجاد می شود. هنگامی که تابش از محیط فعال عبور می کند، بخشی از تابش توسط ناهمگنی ها و آخال های خارجی پراکنده می شود و همچنین در نتیجه جذب غیر تشدید ضعیف می شود. جذب غیر تشدید به عنوان جذب مرتبط با انتقال نوری بین سطوحی که برای یک محیط معین عملیاتی نیستند درک می شود. این ممکن است شامل تلفات مرتبط با پراکندگی جزئی و جذب انرژی در آینه ها نیز باشد.