Способы создания инверсии населенности - Лекция, раздел История, ЛЕКЦИЯ N 1 • Краткие исторические сведения. Тепловое излучение. Излучение абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа. Итоги лекции N 1 Процесс Создания Инверсии Населенности Называется Накачкой. ...
Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. В зависимости от структуры активной среды используются различные виды накачки.
В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом случае для создания инверсии населенности активной среды необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов или молекул активной среды. Такая трехуровневая схема накачки была реализована в первом твердотельном лазере, созданном в 1960 г. Т. Мейманом (США). Активной средой в этом лазере являлся кристалл рубина, отполированные торцы которого служили зеркалами оптического резонатора. Один торец покрывался непрозрачным слоем серебра, слой серебра на другом торце пропускал 8% упавшей на него энергии.
Рубин представляет собой окись алюминия (Al2O3), в которой (0,03 ÷ 0,05)% атомов алюминия заменены трехвалентными ионами хрома Cr3+.
На рисунке 15.5 изображена энергетическая схема иона хрома, который и является основным элементом активной среды.
Рис. 15.5
Перевод электронов с уровня E1 на уровни широкой полосы E3 (накачка) осуществляется за счет интенсивного облучения рубина некогерентным светом мощной импульсной лампы. В возбужденном состоянии E3 ионы хрома проводят около 10-7с, а затем отдают часть энергии колебаниям решетки и электроны ионов хрома без излучения света переходят на уровень E2.
Этот уровень метастабильный, так как время жизни иона хрома в состоянии E2 порядка 10-3с, что на четыре порядка (т.е. в десять тысяч раз) больше времени жизни в состоянии E3. Большое время жизни электрона на уровне E2 позволяет перевести достаточное число ионов хрома в это состояние. Для создания инверсии населенности необходимо, чтобы число ионов хрома в состоянии E2 было больше, чем в основном состоянии E1, т.е. требуется возбудить больше половины ионов хрома.
На рисунке 15.6 изображена четырехуровневая система.
Рис. 15.6
Ее преимущество перед трехуровневой системой состоит в том, что E3 - нижний рабочий уровень лазерного перехода расположен вышеосновного уровня E1. По этой причине в условиях термодинамического равновесия он может быть населен, в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана, значительно слабее, чем уровень E1. Здесь состояние с инверсией населенности достигается, когда населенность метастабильного уровня E2 больше населенности нижнего рабочего уровня E3.
Таким образом, на основном уровне может оставаться больше половины атомов.
Наиболее эффективным четырехуровневым ионом является трехвалентный ион неодима Nd3+, вводимый в состав специальных сортов стекла.
Оптическую накачку применяют, главным образом, в твердотельных лазерах и лазерах на стеклах, активированных неодимом.
В газовых лазерах более эффективны другие методы накачки: электрический разряд, химические реакции, тепловая накачка в газодинамических лазерах.
В полупроводниковых лазерах важнейшим способом накачки является инжекция носителей через p-n переход. В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковом лазере используются излучательные квантовые переходы между энергетическими зонами: зоной проводимости и валентной зоной полупроводникового диода.
Генерация лазерного излучения возникает в слое, примыкающем к p-n переходу при пропускании через диод большого прямого тока. Плотность тока, соответствующего началу генерации, обычно порядка 
.
Оптическим резонатором в полупроводниковом лазере служат две плоскопараллельные грани, расположенные перпендикулярно плоскости p-n перехода. Коэффициент отражения этих граней около 30%. Схема такого лазера изображена рисунке 15.7.
Рис.15.7
В полупроводниковых лазерах с электронной накачкой для создания инверсии населенности используют пучок электронов с энергией
104-105 эВ.
При замедлении этих электронов за счет ионизации в полупроводнике образуются избыточные носители заряда.
Все темы данного раздела:
Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина
§ 1. Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка
Проблема излучения абсолютно черного тела состояла в том, чтобы
Закон Стефана-Больцманаи закон Вина
Из (1.11) для абсолютно черного тела, когда rω = f(λ,Т), получим энергетическую светимость R(T), интегрируя функцию f(ω,Т) (2.2) во всем интервале частот.
Проблема фотоэффекта
Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Такой фотоэффект называют внешним. Именно о нем мы будем говорить в эт
Итоги лекции N 3
1. Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
2. Экспериментальные исследования фотоэффекта, приведенного в 1900-1904 гг., показали, что
Боровская теория атома водорода
Атом водорода - простейший из всех атомов. Его ядро - элементарная частица протон. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона, вследствие этого ядро в первом приближении можно считать неподвиж
Условие стационарности состояния атома - квантование момента импульса электрона L.
При движении электрона по круговой орбите радиуса rn (n = 1,2,3,...) его момент импульса Ln = mevrn должен быть кратен постоянной Планка, деленной на 2&#
Итоги лекции N 4
1. Уравнение движения электрона в планетарной модели атома, записанное на основе второго закона Ньютона, позволяет атому иметь любой размер, опыт же показывает, что размеры атомов порядка 10-1
Энергия фотона
4. Импульс фотона
Гипотеза де Бройля. Волновые свойства электронов
Согласно гипотезе де Бройля любой движущийся частице с энергией E и импульсом соответствует волна с частотой v = E/h, длиной волны λ = h/p и волновым вектором . Так же как в случае с фо
Соотношения неопределенностей являются следствием корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов.
Задолго до создания квантовой механики в оптике было известно соотношение между длиной цуга световой волны Δx и неопределенностью волнового числа этого цуга Δk:
Уравнение Шредингера
Волновое уравнение, позволяющее найти волновую функцию частицы, которая движется в заданном силовом поле, имеет следующий вид:
Решение уравнения Шредингера для простейших случаев: свободная частица и частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме
Для свободной частицы потенциальная энергия U ≡ 0. Уравнение Шредингера (7.3) в этом случае выглядит следующим образом:
Итоги лекции N 7
Волновое уравнение для функции Ψ получено в 1926 г. Э. Шредингером и носит его имя - уравнение Шредингера. Для одной частицы, Движущейся во внешнем поле, оно имеет следующий вид (см. (7.
Итоги лекции N 8
1. Формула (8.3) для энергии стационарных состояний атома водорода, полученная на основе уравнения Шредингера совпадает с аналогичной формулой (4.8), полученной в боровской теории атома водорода, т
Спин электрона. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.
Как уже упоминалось в конце § 3 предыдущей лекции, спектральные линии атома водорода обнаруживают тонкую структуру. Тонкая структура присуща спектрам всех атомов. Для объясн
Объяснение температурной зависимости теплоемкостей газов
В части 4, лекции N 4 обсуждались графики экспериментальных зависимостей теплоемкости CV для двух газов: одноатомного аргона (Ar) и двухатомного водорода (H2). Ход графика для
Итоги лекции N 9
1. Электрон обладает собственным моментом импульса LS , не связанным с движением в пространстве. Модуль собственного момента импульса определяется спиновым квантовым числом
Электронный газ в модели одномерной бесконечно глубокой потенциальной ямы. Электронный газ в модели бесконечно глубокой трехмерной потенциальной ямы
Валентные электроны в металле могут довольно свободно перемещаться в пределах объема металлического образца. Потенциальная энергия электрона в пределах образца металла приблизительно постоянна, но
Электронный газ при T > 0. Распределение Ферми-Дирака
Рис. 11.1
На приведенных выше рисунках 11.1 изображена одномерная потенциальная яма, заполне
Результаты квантовой теории электропроводности металла
В Ч. 4 настоящего курса была приведена формула (6.9) для σ - удельной проводимости, полученная П. Друде в рамках классической теории электропроводности:
Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна
Бозон - это частица или (квазичастица - как, например, фонон - квант упругих колебаний в твердых телах) с нулевым или целочисленным спином. К бозонам
Итоги лекции N 12
1. Квантовая теория электропроводности металлов дает для удельной проводимости σ формулу (12.2):
Происхождение энергетических зон в кристаллах. Металлы
Физически происхождение зонной структуры в кристалле связано с образованием кристалла из N атомов, каждый из которых в свободном состоянии обладает дискретным электронным энергетическим спектром (с
Собственная проводимость полупроводников
Из элементов таблицы Менделеева типичными полупроводниками являются германий и кремний. Ширина запрещенной зоны у германия 0,66эВ, у кремния - 1,1эВ (при T = 300К).
Имея по 4 валентных эле
Итоги лекции N 13
При объединении атомов в кристалл их энергетические уровни вследствие принципа Паули превращаются в систему очень близко расположенных подуровней - разрешенныеэнергетические
Донорные примеси, полупроводникиn-типа
Для четырехвалентных полупроводников германия (Ge) и кремния (Si) донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор (P), мышьяк (As), с
Акцепторные примеси. Полупроводникиp-типа
Акцепторными примесями для германия и кремния являются атомы трехвалентных элементов, таких как бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In).
Название "акце
Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод
Создадим контакт из двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа, как это изображено на рис.14.3 Такой контакт называют электронно-дырочным переходом, или p-n переходом.
Полупроводниковый триод - транзистор
Полупроводниковый триод, или транзистор, - это электронный прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Состоит он из двух p-n переходов, созданных в
Итоги лекции N 14
Атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных полупроводников германия (Ge) или кремния (Si), называютс
Оптический резонатор
Для превращения сверхлюминисценции в генерацию лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора.
Виды лазеров и их применение
По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводнико
Итоги лекции N 15
Лазер, или оптический квантовый генератор - это устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средо
Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число
Атомное ядро было открыто английским физиком Э. Резерфордом в 1911 году в опытах по рассеянию α-частиц при прохождении их через вещество. Схема этого опыта была приведена нами в первой лекции
Дефект массы и энергия связи атомного ядра. Ядерные силы
Как показывает опыт, масса ядра mя меньше, чем суммарная масса входящих в состав ядра нуклонов. Объяснение этому факту дает релятивистская механика на основе форм
Итоги лекции N 16
Ядро - центральная массивная часть атома, где сосредоточено более 99,95% массы атома. Ядро имеет положительный заряд qЯ, кратный элементарному заря
Некоторые сведения из истории открытия деления ядра урана
После открытия нейтрона физики получили в свое распоряжение частицу, способную, ввиду отсутствия заряда, проникать в любые, в том числе и тяжелые, ядра. Исследования воздействия нейтронов на ядра,
Цепная ядерная реакция. Ядерная бомба
После открытия деления ядер урана У. Зинн и Л. Сциллард, а также Г.Н. Флеров показали, что при делении ядра урана вылетает больше одного нейтрона. Дальнейшие исследов
Ядерный реактор
Ядерный реактор - это содержащая ядерное горючее установка, в которой осуществляется управляемая ядерная реакция.
В качестве делящегося вещества в реакторах используют природный (либо слег
Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций
Как уже отмечалось в § 2 настоящей лекции, при реакции ядерного синтеза (слияния) легких атомных ядер выделяется очень большое количество энергии.
Но для того, чтобы произошло слияние атом
Закон радиоактивного распада
Закон радиоактивного распада дает зависимость N(t) -числа радиоактивных ядер от времени. Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер d
Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом
Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить радиоактивное излучение. Поэтому важной задачей является изучение особенностей взаимодействия различных радиоактивных излучений с вещес
Методы регистрации ионизирующих излучений
Быстрые заряженные частицы, проходя через вещество, оставляют за собой след ионизированных и возбужденных атомов. Нейтроны и γ-кванты, взаимодействуя с ядрами и атомами, создают вторичные быст
Итоги лекции N 18
1. Радиоактивностью называют свойства атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав (заряд z и массовое число А) путем испускания элемента
Новости и инфо для студентов