В чем заключаются принципы вынужденного излучения, принцип квантового усиления, инверсная заселенность, спектр вынужденного излучения.
Чаще всего только два вида переходов атомов между энергетическими уровнями: спонтанные (самопроизвольные) переходы с более высоких на более низкие уровни, и происходящие под действием излучения (вынужденные) переходы с более низких на более высокие уровни.
Переходы первого вида приводят к спонтанному испусканию атомами фотонов, переходы второго вида обусловливают поглощение излучения веществом.
В 1918 году Эйнштейн обратил внимание на то, что двух указанных видов излучения недостаточно для объяснения существования состояний равновесия между излучением и веществом. Действительно, вероятность спонтанных переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и, следовательно, не может зависеть от интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность «поглощательных» переходов зависит как от свойств атомов, так и от интенсивности падающего излучения. Для возможности установления равновесия при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование «испускательных» переходов, вероятность которых возрастала бы с увеличением интенсивности излучения, т.е. «испускательных» переходов, вызываемых излучением. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным или индуцированным.
Исходя из термодинамических соображений, Эйнштейн доказал, что вероятность вынужденных переходов, сопровождающихся излучением, должна быть равна вероятности вынужденных переходов, сопровождающихся поглощением света. Таким образом, вынужденные переходы могут с равной вероятностью происходить как в одном, так и в другом направлении.
|
|
|
Вынужденное излучение обладает весьма важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения вынуждающего излучения, т.е. внешнего излучения, вызвавшего переход. То же самое относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и вынуждающего излучений. Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучения оказываются строго когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.
При взаимодействии вещества с внешним электромагнитным полем одновременно происходят два противоположных процесса – вынужденное испускание и поглощение фотонов. В зависимости от того какой из этих процессов преобладает, происходит усиление или ослабление электромагнитных колебаний в веществе.
При каких условиях может быть получено квантовое усиление. Поскольку при каждом переходе испускается или поглощается квант энергии 
, то вся поглощаемая в единице объема вещества энергия за время dt равна
|
|
|
В последнем выражении учтено, что коэффициенты Эйнштейна для поглощения и вынужденного испускания равны между собой, т.е. 
В квантовых усилителях отсутствуют основные источники шумов, характерные для электровакуумных приборов: дробовой эффект, токораспределение и т.д. Кроме того, квантовые приборы могут работать при низких температурах, близких к абсолютному нулю. Это позволило создать малошумящие квантовые усилители СВЧ (квантовые парамагнитные усилители), обладающие температурой шума порядка единиц градусов по абсолютной шкале.
В квантовых генераторах может быть получена чрезвычайно высокая стабильность частоты, поскольку положение используемых энергетических уровней микрочастиц слабо зависит от внешних условий. В диапазоне СВЧ созданы молекулярные и атомные генераторы, имеющие относительную нестабильность частоты 
- 
Эффективность работы электровакуумных приборов уменьшается с укорочением рабочей длины волны, и их применение в настоящее время ограничивается миллиметровым диапазоном. В квантовых приборах возможные рабочие частоты определяются только структурой энергетических уровней микрочастиц. Поэтому квантовые приборы работают во всем сверхвысокочастотном и оптическом диапазоне вплоть до ультрафиолетовой области спектра.
|
|
|
Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если 
и 
— квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой:
— > hn.
Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1, б), т. е. реализуется оптическое усиление.
|
|
|
В п/п лазере применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через рn-переход, гетеропереход или контакт металл — полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили п/п лазеры первых двух типов.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 367; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!