빛의 본질. 자연 방출 및 유도 방출. 에너지 수준 인구의 반전. 레이저 작동 원리. 인구 반전을 얻기 위한 다단계 계획 활성 매체에서 인구 반전 생성

혼란스러운 열 운동 중에는 원자 간의 에너지 분포가 고르지 않습니다. 일부 원자는 들뜨게 되는데, 이는 원자가 지상 수준보다 더 높은 에너지 수준에 있다는 것을 의미합니다. 열 평형 조건과 외부 전자기장이 없는 경우 대부분의 원자는 최소 에너지를 갖습니다. 비유적으로 말하면, 상위 계층의 인구는 하위 계층의 인구보다 적습니다.

에너지 영향(온도 증가, 조명, 빠른 입자에 의한 충격)의 영향으로 여기된 원자의 비율이 증가합니다. 즉, 상위 수준의 인구가 증가합니다. 이 프로세스는 그림 102의 a, b에 설명되어 있습니다.

온도가 증가함에 따라 상위 레벨의 인구가 하위 레벨의 인구보다 더 많은 레벨 사이에서 입자 분포를 얻는 것이 가능한 것처럼 보입니다. 그러나 그것은 사실이 아닙니다. 결국 들뜬 상태는 불안정하다. 상위층의 인구가 증가할수록 방사선을 동반하는 자연천이의 확률도 높아진다.

1939년 소련의 물리학자 V. A. Fabrikant는 여기된 원자의 수가 바닥 상태의 원자 수보다 큰 입자의 에너지 분포를 생성하는 것이 가능하다고 제안했습니다(그림 102, c). 이 상태를 인구 수준이 반대인 상태(라틴어 inversio - Turn over에서 유래)라고 합니다.

인구 수준이 반전된 상태에 내재된 특별한 속성이 무엇인지 알아봅시다.

빛이 물질을 통해 전파되면 일반적으로 빛이 흡수됩니다. 이는 열역학적 평형 상태에서 물질의 여기되지 않은 원자의 수가 여기된 원자의 수보다 훨씬 많기 때문에 발생하므로 광자는 여기되지 않은 원자와 더 자주 상호 작용합니다. 즉, 물질에 흡수됩니다.

반전된 준위 모집단을 갖는 물질에서는 여기된 원자의 수가 여기되지 않은 원자의 수보다 많습니다. 이 경우, 여기되지 않은 원자와 광자가 만날 확률, 즉 광자 흡수 확률이 감소합니다. 물질은 더욱 투명해지거나 빛을 증폭시킬 수도 있습니다. 실제로 광자가 그 안에서 움직이면 그 에너지는 상태의 원자 에너지 차이와 정확히 같고 (그림 102, c) 여기 원자와 상호 작용하면 그러한 광자는 자극을 유발합니다 방사. 결과적으로 동일한 유형의 두 번째 광자가 나타납니다. 다른 두 개의 여기된 원자와 상호작용함으로써 이 두 광자는 두 개의 원자가 더 빛을 방출하게 만듭니다. 결국 물질에서는 광자 한 개가 아닌 많은 광자가 방출되는데, 이는 빛의 증폭이다. 빛의 증폭은 주파수를 가진 광자가

물질에 약하게 흡수됩니다. 유도된 광자의 수가 흡수된 광자의 수를 초과하는 경우 매체를 활성이라고 합니다.

인구 수준이 반전된 미디어의 이러한 특징은 1951년 V. A. Fabrikant, M. M. Vudynsky 및 F. A. Butaeva에 의해 확립되었습니다.

1964년 국가위원회발명 및 발견을 위해 이 과학자들에게 발견 졸업장을 발행했는데, 특히 다음과 같습니다. “이전에 알려지지 않은 전자파 증폭 현상은 입자 또는 그 시스템의 농도가 여기 상태는 평형 농도에 비해 과도합니다."

인구 역전은 동일한 에너지 상태를 갖는 원자의 농도입니다. 열역학적 평형에서는 볼츠만 통계를 따릅니다.

원자의 농도는 어디에 있고, 에너지와 에너지 수준에 해당하는 전자의 상태는 입니다.

여기되지 않은 원자의 농도가 여기된 원자의 농도보다 높을 때 값 Δn = 음수이므로 모집단은 정상입니다. 여기된 원자의 농도가 여기되지 않은 원자의 농도보다 높을 때(펌프 에너지에 의해 보장됨) Δn 값은 양수가 됩니다. 즉, 밀도 반전이 발생하고 여기된 원자로 인해 투과된 방사선이 증폭될 수 있습니다.

공식적으로 절대 음의 온도 T에서 조건 Δn > 0이 충족됩니다.< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

반도체 레이저에서 전도대와 원자가대의 에너지 준위 모집단 사이의 반전은 pn 접합의 양의 바이어스에서 캐리어를 주입함으로써 달성됩니다.

레이저 증폭

레이저 증폭은 유도 방사선의 사용을 기반으로 하는 광학 방사선의 증폭입니다. 방사선 양자가 여기 상태의 원자에 작용할 때 전자는 방사선 방출과 함께 에너지가 있는 상태에서 에너지가 있는 상태로 전이됩니다. 여기 양자의 에너지와 동일한 에너지를 갖는 양자 hν = – .

방사선이 통과할 때 여기 원자의 농도가 충분한 매질에서 생성된 광자의 수가 흡수 및 산란으로 인한 손실보다 훨씬 클 경우 증폭 모드를 얻을 수 있습니다.

주입 레이저는 그림 1.3에 나와 있습니다.

쌀. 1.3 반도체 주입 레이저 장치 구성도(레이저 다이오드)

그림 1에서. 그림 4는 진성 반도체와 불순물 반도체에서 페르미 준위의 위치를 보여줍니다. 페르미 준위의 중요한 특성 중 하나는 n형 및 p형 반도체로 구성된 시스템에서 전압이 가해지지 않으면 페르미 준위가 평준화된다는 것입니다(그림 1.4a). 그리고 서로 다른 전위에 있는 경우 페르미 준위는 전위차만큼 이동합니다(그림 1.4.b).

그림 1. 4. 주입 반도체 레이저의 에너지 다이어그램: 외부 전압이 인가되지 않은 p-n 접합(a); 순방향으로 외부 전압을 인가할 때 p-n 접합(b). d - 너비 pn 접합, l은 레이저 작동을 보장하는 영역의 실제 너비입니다.

이 경우에는 p-n 구역전이가 일어나면 반전된 집단이 생성되고 전자는 전도대에서 가전자대(정공과 재결합)로 전이됩니다. 이 경우 광자가 방출됩니다. LED는 이 원리로 작동합니다. 광학 공진기의 형태로 이러한 광자에 대해 양의 피드백이 생성되면 p-n 영역외부 인가 전압의 큰 값에서 전이하면 레이저 레이저를 얻을 수 있습니다. 이 경우, 비평형 운반체의 형성 및 재결합 과정은 혼란스럽게 발생하며 방사선은 출력이 낮고 일관성이 없으며 단색이 아닙니다. 이는 반도체 이미터의 LED 작동 모드에 해당합니다. 전류가 임계값 이상으로 증가하면 방사선이 일관성을 띠고 스펙트럼 폭이 크게 좁아지며 강도가 급격히 증가합니다. 반도체 이미 터의 레이저 작동 모드가 시작됩니다. 동시에 생성된 방사선의 선형 편광 정도도 증가합니다.

그림 1에서. 그림 5는 반도체 레이저의 설계와 출력 방사선의 강도 분포를 개략적으로 보여줍니다. 일반적으로 이러한 레이저에서 공진기는 pn 접합 평면에 수직인 결정의 정반대 두 측면을 연마하여 생성됩니다. 이 평면은 평행하게 만들어지며 높은 정밀도로 연마됩니다. 출구 표면은 방사선이 통과하는 슬릿으로 간주될 수 있습니다. 레이저 방사선의 각도 발산은 이 슬릿에서 방사선의 회절에 의해 결정됩니다. ~에 두께 p-n전이는 20μm이고 폭은 120μm이며 각도 발산은 XZ 평면에서 약 60, YZ 평면에서 10에 해당합니다.

그림 1. 5. pn 접합 레이저의 개략도. p-n 접합의 1-영역(활성층); XY 평면에 있는 레이저 빔의 2섹션.

현대의 반도체 레이저는 소위 반도체 이종 구조를 널리 사용하며, 이 구조의 개발에 러시아 과학 아카데미 학자 Zh. I. Alferov가 상당한 공헌을 했습니다. 노벨상 2000). 이종 구조를 기반으로 하는 레이저는 더 높은 출력 전력과 더 낮은 발산과 같은 더 나은 특성을 갖습니다. 이중 헤테로 구조의 예가 그림 1에 나와 있습니다. 1. 6이며, 그 에너지 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 1. 7.

쌀. 1.6. 반도체 이중 헤테로 구조. 1-전기 접촉을 생성하기 위한 전도성 금속층; 2층 GaAs(n); 3층 Al0.3Ga0.7As(n); 전하 캐리어 주입 영역(p-n 접합)에 해당하는 4층; 5층 Al0.3Ga0.7As(p); 6층 GaAs(p); 7 - p-n 접합을 통과하는 전류를 제한하여 방사선 생성 영역을 형성하는 비도전성 금속 산화물 층; 전기적 접촉을 생성하기 위한 8,9-인접 레이어; 방열판이 있는 10개 기판.

쌀. 1.7 이중 헤테로 구조의 에너지 다이어그램, Y 축 및 레이어 번호는 그림 1에 해당합니다. 1. 6. ΔEgc-밴드갭 폭; ΔEgv는 p-n 접합의 밴드 갭입니다.

쌀. 1. 8. 이종구조를 갖는 반도체 레이저: l - 공동 길이

활동적인 환경

활성 매체는 역 모집단이 생성되는 물질입니다. 안에 다른 유형레이저에서는 고체(루비 또는 이트륨 알루미늄 가넷의 결정, 다양한 크기와 모양의 막대 형태의 네오디뮴이 혼합된 유리), 액체(아닐린 염료 용액 또는 큐벳의 네오디뮴 염 용액)일 수 있습니다. 및 기체(유리관 내 네온, 아르곤, 이산화탄소, 저압 수증기와 헬륨의 혼합물). 반도체 소재 및 저온 플라즈마 제품 화학 반응그들은 또한 레이저 방사선을 방출합니다. 레이저는 사용되는 활성 매체에 따라 이름이 지정됩니다.

반도체 레이저는 고체이지만 일반적으로 특수 그룹으로 분류됩니다. 이러한 레이저에서는 전자가 전도대의 아래쪽 가장자리에서 가전자대의 위쪽 가장자리로 전이하기 때문에 간섭성 방사선이 생성됩니다.

반도체 레이저에는 두 가지 유형이 있습니다.

첫 번째는 갈륨 비소 GaAs, 카드뮴 황화물 CdS 또는 카드뮴 셀렌화물 CdSe가 반도체로 사용되는 순수한 반도체 웨이퍼입니다.

두 번째 유형의 반도체 레이저인 소위 주입 레이저는 도너 및 억셉터 불순물의 농도가 1018-1019인 불순물 반도체로 구성됩니다. 갈륨 비소 GaAs는 주로 주입 레이저에 사용됩니다.

주파수 v에서 반도체의 밀도 역전을 생성하는 조건은 다음과 같은 형식을 갖습니다.

ΔF= - >hv

즉, 반도체 단결정의 방사선이 증폭되기 위해서는 전자와 정공의 페르미 준위 사이의 거리가 빛 양자의 에너지 hv보다 커야 합니다. 주파수가 낮을수록 여기 수준이 낮아지고 역모집단이 달성됩니다.

펌핑 시스템

펌핑은 활성 매체에 역수를 생성하며 각 매체에 대해 가장 편리하고 효과적인 방법펌핑. 고체 및 액체 레이저에서는 펄스 램프 또는 레이저가 사용되며, 기체 매체는 방전에 의해 여기되고, 반도체는 전류에 의해 여기됩니다.

반도체 레이저는 전자빔(순수 반도체의 반도체 레이저용)과 직접 전압(주입 반도체 레이저용)을 이용한 펌핑을 사용합니다.

전자빔에 의한 펌핑은 가로(그림 3.1) 또는 세로(그림 3.2)일 수 있습니다. 횡방향 펌핑 중에 반도체 결정의 반대쪽 두 면이 연마되어 광학 공진기의 거울 역할을 합니다. 종방향 펌핑의 경우 외부 거울이 사용됩니다. 종방향 펌핑을 사용하면 반도체 냉각이 크게 향상됩니다. 이러한 레이저의 예로는 황화 카드뮴 레이저가 있는데, 이는 0.49μm 파장의 방사선을 생성하고 약 25%의 효율을 갖습니다.

쌀. 3.1 - 전자빔에 의한 횡방향 펌핑

쌀. 3.2 - 전자빔을 이용한 종방향 펌핑

주입 레이저에는 두 개의 축퇴된 불순물 반도체로 형성된 pn 접합이 있습니다. 순방향 전압을 가하면 pn 접합의 전위 장벽이 낮아지고 전자와 정공이 주입됩니다. 전이 영역에서는 전하 캐리어의 강렬한 재결합이 시작되며, 그 동안 전자가 전도대에서 가전자대로 이동하고 레이저 방사선이 발생합니다(그림 3.3).

쌀. 3.3 - 주입 레이저 설계의 원리

펌핑은 펄스 또는 연속 레이저 작동을 제공합니다.

공명기

공진기는 서로 평행한 한 쌍의 거울로, 그 사이에 활성 매체가 배치됩니다. 하나의 거울(“귀머거리”)은 그 위에 떨어지는 모든 빛을 반사합니다. 두 번째 반투명은 유도 방출을 위해 방사선의 일부를 환경으로 반환하고 일부는 레이저 빔 형태로 외부로 출력됩니다. 전체 내부 프리즘은 종종 "귀머거리" 거울로 사용되며, 유리판 더미는 반투명 거울로 사용됩니다. 또한 거울 사이의 거리를 선택하면 레이저가 엄격하게 정의된 한 가지 유형(소위 모드)의 방사선만 생성하도록 공진기를 구성할 수 있습니다.

모든 유형의 레이저에 널리 사용되는 가장 간단한 광학 공진기는 평면 공진기(Faby-Perot 간섭계)로 서로 떨어져 있는 두 개의 평면 평행판으로 구성됩니다.

하나의 플레이트로 반사 계수가 1에 가까운 반사 거울을 사용할 수 있습니다. 두 번째 판은 생성된 방사선이 공진기를 빠져나갈 수 있도록 반투명해야 합니다. 플레이트 표면의 반사율을 높이기 위해 일반적으로 다층 유전체 반사 코팅이 플레이트에 적용됩니다. 이러한 코팅에는 사실상 빛 흡수가 없습니다. 때로는 반사 코팅이 활성 매체 막대의 평면 평행 끝 부분에 직접 적용됩니다. 그러면 원격 미러가 필요하지 않습니다.

쌀. 4.1. 광학 공진기 유형: a - 평면, b - 프리즘, c - 공초점, d - 반동심, e - 복합, f - 링, g, h - 교차, i - 브래그 거울 포함. 활성 요소는 음영 처리됩니다.

직사각형 프리즘은 광학 공동에서 반사 거울로 사용될 수 있습니다(그림 4.1, b). 이중 전반사의 결과로 프리즘 내부 평면에 수직으로 입사하는 광선은 공진기 축과 평행한 방향으로 프리즘에서 나옵니다.

평판 대신 오목 반투명 거울을 광학 공진기에 사용할 수 있습니다. 초점이 동일한 지점 Ф(그림 4.1, c)에 위치하도록 동일한 곡률 반경을 갖는 두 개의 거울이 공초점 공진기를 형성합니다. 거울 사이의 거리는 l=R이다. 한 거울의 초점이 다른 거울의 표면에 있도록 이 거리를 절반으로 줄이면 공초점 공진기가 얻어집니다.

을 위한 과학적 연구다양한 실용적인 목적을 위해 거울뿐만 아니라 레이저 방사선의 특성을 제어하고 변경할 수 있는 기타 광학 요소로 구성된 보다 복잡한 공진기가 사용됩니다. 예를 들어, 그림. 4. 1, d. – 4개의 능동 소자에서 생성된 방사선이 합산되는 복합 공진기. 레이저 자이로스코프는 두 개의 빔이 닫힌 파선을 따라 반대 방향으로 전파되는 링 공진기를 사용합니다(그림 4.1e).

컴퓨터 및 통합 모듈의 논리 요소를 생성하기 위해 다중 구성 요소 교차 공진기가 사용됩니다(그림 4.1.g, h). 이는 본질적으로 강력한 광학적 결합을 통해 선택적으로 여기되고 서로 연결될 수 있는 레이저 모음입니다.

특별한 종류의 레이저는 피드백이 분산된 레이저입니다. 기존의 광학 공진기에서는 공진기 거울에서 생성된 방사선이 반사되어 피드백이 설정됩니다. 배포할 때 피드백반사는 광학적으로 불균일한 주기 구조에서 발생합니다. 그러한 구조의 예로는 회절 격자가 있습니다. 이는 기계적으로 생성되거나(그림 4.1, i) 균질한 매체에 대한 선택적 작용에 의해 생성될 수 있습니다.

다른 공진기 설계도 사용됩니다.

정의에 따라 공진기 요소에는 패시브 및 액티브 셔터, 방사선 변조기, 편광판 및 레이저를 얻는 데 사용되는 기타 광학 요소도 포함되어야 합니다.

캐비티 손실

방사선 생성은 다음과 같이 단순화될 수 있습니다. 레이저의 작동 물질이 공진기에 배치되고 펌핑 시스템이 켜집니다. 외부 여기의 영향으로 역수 수준의 모집단이 생성되고 특정 스펙트럼 범위의 흡수 계수가 0보다 작아집니다. 여기 과정에서 인구 반전이 생성되기 전에도 작동 물질이 발광하기 시작합니다. 활성 매체를 통과하면 자연 방출이 향상됩니다. 이득의 크기는 이득과 활성 매질의 광 경로 길이의 곱에 의해 결정됩니다. 각 유형의 공진기에는 거울의 반사로 인해 광선이 원칙적으로 무한한 횟수로 활성 매체를 통과하도록 선택된 방향이 있습니다. 예를 들어, 평면 공진기에서는 공진기 축과 평행하게 전파되는 광선만 활성 매체를 통과할 수 있습니다. 공진기의 축과 비스듬히 거울에 입사하는 다른 모든 광선은 한 번 이상의 반사 후에 공진기에서 나옵니다. 이것이 손실이 나타나는 방식입니다.

공진기에는 여러 유형의 손실이 있습니다.

1. 거울의 손실.

매질에서 생성된 방사선의 일부가 공진기에서 제거되어야 하므로 사용되는 거울(적어도 하나)은 반투명하게 만들어집니다. 거울의 강도 반사 계수가 R1 및 R2와 같으면 공진기의 단위 길이당 복사 출력에 대한 유용한 손실 계수는 다음 공식으로 제공됩니다.

2. 기하학적 손실

빔이 거울 표면에 수직이 아닌 공진기 내부로 전파되는 경우 특정 횟수의 반사 후에 빔은 거울 가장자리에 도달하여 공진기를 떠납니다.

3. 회절 손실.

반경 a의 평면 평행 원형 거울 2개로 구성된 공진기를 생각해 보겠습니다. 파장이 λ인 평행한 방사선 빔이 거울 2에 입사한다고 가정합니다. 빔은 거울에서 반사되는 동시에 d ψ ≒ λ a 차수 각도로 회절됩니다. 특정 공진기에 대한 프레넬 수는 최종 빔 발산이 거울 가장자리를 넘어 방사선 출구 각도에 도달할 때 거울 사이를 통과하는 횟수입니다. ψ=a/L

4. 활성 매체의 불균일성에 의한 산란.

공진기가 활성 매체로 채워지면 추가 손실 원인이 발생합니다. 방사선이 활성 매질을 통과할 때 방사선의 일부는 불균일성과 이물질 함유물에 의해 산란되고 비공진 흡수로 인해 감쇠됩니다. 비공진 흡수는 주어진 매질에 대해 작동하지 않는 레벨 사이의 광학적 전이와 관련된 흡수로 이해됩니다. 여기에는 거울의 에너지 흡수 및 부분 산란과 관련된 손실도 포함될 수 있습니다.

인구 역전

물리학에서, 구성 입자(원자, 분자 등)의 더 높은 에너지 수준이 낮은 입자보다 입자로 더 많이 "밀집"되는 물질 상태(수준 인구 참조). 정상적인 조건(열 평형)에서는 반대 관계가 발생합니다. 즉, 낮은 수준보다 위쪽 수준에 더 적은 입자가 있습니다(볼츠만 통계 참조).

위대한 소련 백과사전. - M.: 소련 백과사전. 1969-1978 .

다른 사전에 "인구 반전"이 무엇인지 확인하십시오.

- (라틴어로 inversio, 반전, 재배열에서 유래) va의 비평형 상태. 여기서 구성 부분(원자, 분자 등)에 대해 다음과 같은 불평등이 유지됩니다. N2/g2>N1/g1, 여기서 N2와 N1은 인구 상위. 그리고 더 낮은 에너지 수준, g2 및 g1은 ... ... 물리적 백과사전

현대 백과사전

인구 역전- (라틴어 inversio, 뒤집기, 재배열에서 유래), 물질의 비평형 상태. 일반적인 열 평형 상태와 달리 물질을 구성하는 입자(원자, 분자)의 수가 더 높게... ... 그림 백과사전

인구 역전- 여기(상위) 에너지 수준에서 구성 입자(전자, 원자, 분자 등)의 밀도(농도)가 평형(하위) 수준의 밀도보다 높은 물질의 비평형 상태 필수적이다... 빅 폴리테크닉 백과사전

물질을 구성하는 한 유형의 원자(이온, 분자)의 한 쌍의 에너지 준위 중 위쪽의 밀도가 아래쪽의 밀도를 초과하는 물질의 비평형 상태입니다. 인구 역전은 레이저 작동의 근간이며… 백과사전

VA의 비평형 상태는 VA에 포함된 한 유형의 원자(이온, 분자)의 한 쌍의 에너지 준위 중 상위의 밀도가 하위의 밀도를 초과하는 상태입니다. 나. 그리고. 레이저 및 기타 양자 장치 작동의 기초가 됩니다. ... 자연 과학. 백과사전

레이저의 작동 원리를 설명하는 데 사용되는 물리학 및 통계 역학의 기본 개념 중 하나입니다. 목차 1 볼츠만 분포와 열역학적 평형 ... 위키피디아

전자 모집단의 역전은 레이저 작동 원리를 설명하는 데 사용되는 물리학 및 통계 역학의 기본 개념 중 하나입니다. 목차 1 볼츠만 분포와 열역학적 평형 ... 위키피디아

맨 아래에 원자 밀도가 있는 2단계 시스템을 고려해 보겠습니다. N 1 및 상단 N 2 에너지 레벨.

첫 번째 수준에서 두 번째 수준으로 강제 전환할 확률은 다음과 같습니다.

어디 σ 12 – 방사선 강도의 영향을 받는 전이 확률 제이.

그러면 단위 시간당 유도된 전이의 수는 다음과 같습니다.

시스템은 강제 및 자발적이라는 두 가지 방법으로 두 번째 수준에서 이동할 수 있습니다. 외부 자극이 끝난 후 시스템이 열역학적 평형 상태에 도달할 수 있도록 자발적인 전이가 필요합니다. 자발적 전이는 매질의 열복사로 인한 전이로 간주될 수 있습니다. 단위 시간당 자발적 전이 수는 다음과 같습니다. ㅏ 2 – 자발적인 전환 가능성. 두 번째 수준에서 강제 전환되는 횟수는 다음과 같습니다.

유효 흡수 및 방출 단면적의 비율은 다음과 같습니다.

어디 g 1 , g 2 레벨 퇴화의 다양성.

균형 방정식은 레벨의 모집단의 합으로 결정되며, 이는 총 인구 수와 같아야 합니다. N시스템에 입자가 0개 있습니다. N 1 +n 2 =n 0 .

시간에 따른 인구의 변화는 다음 방정식으로 설명됩니다.

이 방정식의 해는 다음과 같습니다.

모집단의 시간 도함수가 0과 같을 때 고정된 경우에 이러한 방정식에 대한 해는 다음과 같습니다.

2단계 시스템의 역모집단이 제공됩니다.

따라서 자발적인 전환으로 인한 인구 손실을 고려하여 상위 수준의 퇴화 다중도가 주요 수준의 퇴화 다중도보다 클 경우에만 인구가 역전된 상태가 가능합니다. 원자 시스템의 경우 이는 불가능합니다. 그러나 전도대와 가전자대 상태의 다중 축퇴성은 상태 밀도에 의해 결정되기 때문에 반도체에서는 가능합니다.

3단계 시스템의 역모집

에너지가 있는 세 가지 수준의 시스템을 고려하면 이자형 1 , 이자형 2 , 전자 3, 그리고 이자형 1 >이자형 2 >E 3 및 인구 N 1 , N 2 , N 3, 그러면 모집단에 대한 방정식은 다음과 같습니다.

고정된 경우 수준의 퇴행성 다중성의 차이를 고려하지 않고 역 모집단에 대한 이러한 방정식의 해는 다음과 같습니다.

고정된 경우

역모집단 Δ>0 존재 조건은 다음과 같이 충족됩니다.

반도체의 세 가지 준위 시스템은 하위 준위가 가전자대이고 상위 두 준위가 전도대의 두 상태인 시스템으로 간주할 수 있습니다. 일반적으로 전도대 내부에서 비방사 전이 확률은 구역-구역 전이 확률보다 훨씬 크므로 A 32 » A 31이므로 인구 반전 조건은 다음과 같습니다.

왜냐하면

여기서 ρ 13 은 활물질의 흡수대에서 평균된 펌프 에너지 밀도이며 이 조건을 만족할 수 있습니다.

강한 전기장에서의 전기 전도성

비선형 옴의 법칙

강한 전기장에서는 입자에 작용하는 힘이 증가하여 입자의 속도가 증가합니다. 입자 속도가 열 운동 속도보다 낮으면 영향은 다음과 같습니다. 전기장전기 전도도에 대한 영향은 미미하며 선형 옴의 법칙을 만족합니다. 전기장 강도가 증가함에 따라 입자의 표류 속도가 증가하고 전기장 강도에 대한 전기 전도도의 의존성은 선형이 됩니다.

결정 격자 진동에 의해 산란되는 동안의 평균 자유 행로는 에너지에 의존하지 않으므로 전계 강도와 표류 속도가 증가하면 이완 시간이 감소하고 이동도가 감소합니다. 세기의 전기장에서 입자에 작용하는 힘 이자형동일 그녀의. 이 힘은 가속을 유발하고 입자의 열 속도를 변경합니다. v T. 전기장의 영향으로 입자가 가속되고 단위 시간당 힘의 작용과 동일한 에너지를 얻습니다. 그녀의:

(7.1) .

반면, 한 번의 충돌이나 자유 경로 동안 입자가 손실한 에너지는 전체 에너지의 작은 부분(ξ)입니다. 티그리고 단위 시간당. 따라서 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

이 표현식을 공식 (7.1)과 동일시하면 전기장 강도와 입자 속도에 대한 방정식을 얻을 수 있습니다.

(7.2) , 또는 . .

진동에 의한 산란의 경우 평균 자유 경로는 일정하며 속도는 전기장 강도에 따라 달라집니다.

이동성이 다음과 같이 전계 강도에 따라 달라지는 경우:

전기장의 강도가 증가하면 이동도가 감소합니다.

강한 장에서 옴의 비선형 법칙은 다음과 같은 형식을 갖습니다.

진너 효과

Zinner 효과는 구역-구역 터널링 전이로 인해 전자의 전계 방출에서 나타납니다. 전자가 결정 격자의 한 위치에서 다른 위치로 이동할 때 두 위치를 분리하는 전위 장벽을 극복해야 합니다. 이 전위 장벽은 밴드 갭을 결정합니다. 전기장을 가하면 외부 전기장의 반대 방향으로 전위 장벽이 낮아지고 전자 터널링이 핵에 결합된 상태에서 전도대로 전이될 확률이 높아집니다. 본질적으로 이러한 전이는 가전자대의 전자와 함께 발생하며 전자의 흐름은 결정 격자의 노드에서 전도대의 자유 상태로 향하게 됩니다. 이 효과는 Zinner 항복 또는 저온 전자 방출이라고도 합니다. 이는 10 4 – 10 5 V/cm 강도의 전기장에서 관찰됩니다.

뚜렷한 효과

스타크 효과는 원자 수준의 에너지 이동과 원자가 밴드의 확장으로 이어집니다. 이는 밴드 갭이 감소하고 전자와 정공의 평형 농도가 증가하는 것과 유사합니다.

멀리 떨어진 주에서 아르 자형 0 원자핵에서 외부 전기장에서 전자에 작용하는 힘은 핵에 대한 인력의 균형을 맞출 수 있습니다.

이 경우 원자에서 전자를 떼어내 자유 상태로 옮기는 것이 가능하다. 공식 (7.6)에서 이온화 거리는 다음과 같습니다.

이 효과는 전자를 자유 상태로 전환하는 데 대한 전위 장벽을 다음과 같은 양만큼 낮춥니다.

(7.7) .

전위 장벽이 감소하면 열 여기 확률이 다음과 같이 증가합니다.

(7.8) .

이 효과는 10 5 – 10 6 V/cm 강도의 전기장에서 관찰됩니다.

간 효과

이 효과는 서로 다른 곡률의 전도대의 두 가지 에너지 최소값을 갖는 반도체에서 관찰되며, 국부 최소값의 유효 질량은 절대 최소값의 바닥 상태의 유효 질량보다 커야 합니다. 강한 주입 수준에서 전자는 접지 최소 상태를 채우고 접지 최소점에서 다른 로컬 최소점으로 이동할 수 있습니다. 국소 최소점에 있는 전자의 질량이 크기 때문에 전달된 전자의 드리프트 이동도가 낮아져 전기 전도도가 감소하게 됩니다. 이러한 감소는 전류 감소와 전도대로의 주입 감소를 유발하여 전도대의 주요 최소값에 전자가 증착되고 원래 상태가 복원되며 전류가 증가합니다. 결과적으로 고주파 전류 변동이 발생합니다.

이 효과는 GaAs에서 관찰되었습니다. N 0.025mm 길이의 샘플을 공급할 때 유형입니다. 전압 펄스 16V, 지속 시간 108Hz. 발진 주파수는 109Hz였다.

Hahn 효과는 표류 속도가 전자의 열 속도와 비슷한 분야에서 관찰됩니다.

고체의 엑시톤

여기자의 성질

결정이 전자기장에 의해 여기되면 전도대의 전자가 가전자대로 이동하여 전자-정공 쌍을 형성합니다. 즉, 전도대의 전자와 원자가대의 정공입니다. 전자 중성 가전자대에 전자의 음전하가 없으면 양전하가 나타나기 때문에 정공은 양전하로 나타납니다. 따라서 부부 내에서 매력의 상호 작용이 발생합니다. 인력 에너지는 음수이므로 결과적인 전이 에너지는 쌍의 전자와 정공 사이의 인력 에너지 양만큼 밴드 갭 에너지보다 작습니다. 이 에너지는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

어디 - 이자형– 전자 전하, 제- 전자가 전도대로 전달되는 원자의 전하, 응– 전자와 정공 사이의 거리, 진공에서 점전하의 상호 작용과 비교하여 전자와 정공 사이의 상호 작용의 감소를 결정하는 e-계수 또는 미세한 유형의 유전 상수.

결정 격자의 중성 위치에서 전자 전이가 발생하면 지=1이고 홀의 전하는 다음과 같습니다. 이자형반대 부호를 갖는 전자의 전하. 사이트의 원자가가 결정 격자의 주요 원자의 원자가와 1만큼 다른 경우 지=2.

미세한 유형의 유전 상수 e는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다.

· 전자와 정공 사이의 상호작용은 결정 매질에서 발생합니다. 이로 인해 결정 격자가 분극화되고 전자와 정공 사이의 상호 작용력이 약해집니다.

· 결정 속의 전자와 정공은 점전하로 표현될 수 없고 밀도가 공간에 '번짐'된 전하로 표현됩니다. 이는 전자와 정공 사이의 상호 작용 힘을 감소시킵니다. 비슷한 상황이 원자에서도 관찰될 수 있습니다. 원자 내 전자 사이의 상호 작용은 전자와 핵 사이의 상호 작용보다 5~7배 적지만, 둘 사이의 거리는 비슷할 수 있습니다. 이는 궤도의 전자가 한 지점에 집중되지 않고 분포 밀도가 특징이므로 전자 간의 상호 작용이 감소하기 때문에 발생합니다. 원자의 핵은 점전하로 높은 정확도로 표현될 수 있으므로 전자와 핵의 상호작용이 전자 사이의 상호작용보다 커져 원자 존재의 안정성이 보장됩니다.

이 두 가지 요소의 영향은 Frenkel 여기자(작은 반경)와 Wannier 여기자(큰 반경) 등 다양한 유형의 여기자에 따라 다릅니다.

엑시톤 에너지 및 반경

엑시톤 결합 에너지는 전자와 정공 사이의 거리에 따라 달라집니다. 엑시톤 반경이 있는 궤도에서 전자와 정공은 질량 중심을 기준으로 움직입니다. 응. 엑시톤이 안정적으로 존재하기 위해서는 엑시톤 궤도에 파동 수만큼의 정상파가 형성되어야 한다. N..비율은 어디서 구할 수 있나요?

어디 아르 자형- 전자와 정공의 상대적인 운동량. 운동량은 전자와 정공의 상대 운동의 운동 에너지 T를 통해 표현될 수 있습니다. 여기서 m은 엑시톤의 감소된 질량입니다.

감소된 엑시톤 질량은 조화 평균 값으로서 전자와 정공의 유효 질량으로 구성되어야 합니다. 구멍의 질량이 크다면, 운동 에너지여기자 또는 정공에 대한 전자의 운동 에너지는 전자의 질량에 의해 결정되어야 합니다. 그렇기 때문에

만약에 유효 질량전자와 정공이 동일하면 감소된 엑시톤 질량은 ½과 같습니다. 국부적인 엑시톤이 있는 경우 시간>>나감소된 엑시톤 질량은 1과 같습니다.

자유 여기자를 위해 지=1, m¢=1/2, 엑시톤 에너지와 반경은 동일합니다.

(8.7) .

국소화된 엑시톤의 경우 지=2, m¢=1 엑시톤 에너지와 반경은 동일합니다.

(8.8) .

따라서 자유 여기자 준위의 에너지는 국부적 여기자 에너지보다 8배 적고 반경은 4배 더 크다는 것이 밝혀졌습니다.

펌핑은 일반적으로 광학 또는 전기의 두 가지 방법 중 하나로 수행됩니다. 광학 펌핑 중에 강력한 광원의 방사선은 활성 매체에 흡수되어 활성 매체의 원자를 상위 수준으로 전달합니다. 이 방법은 고체 또는 액체 레이저에 특히 적합합니다. 고체와 액체에서 선 확장 메커니즘은 스펙트럼 선을 매우 크게 확장하므로 일반적으로 펌핑 수준이 아니라 펌핑 흡수 대역을 다룹니다. 이 줄무늬는 펌프 램프에서 방출되는 빛의 상당 부분을 흡수합니다. 전기 펌핑은 상당히 강한 전기 방전을 통해 수행되며 특히 가스 및 반도체 레이저에 적합합니다. 특히 가스 레이저의 경우 흡수선의 스펙트럼 폭이 작고 펌프 램프가 광대역 방사선을 생성하기 때문에 광학 펌핑을 수행하는 것이 매우 어렵습니다. 광학 펌핑은 반도체 레이저에 매우 효과적으로 사용될 수 있습니다. 사실 반도체는 강한 흡수대를 가지고 있습니다. 그러나, 이 경우전류가 반도체를 매우 쉽게 통과하기 때문에 전기 펌핑이 더 편리한 것으로 나타났습니다.

또 다른 펌핑 방법은 화학적입니다. 화학적 펌핑에는 주목할만한 두 가지 유형이 있습니다. 1) 여기 진동 상태에서 AB 분자를 형성하는 결합 반응과 2) B 입자(원자 또는 분자)를 형성하는 해리 반응입니다. 흥분된 상태.

또 다른 펌핑 방법 가스 분자주어진 분자를 포함하는 가스 혼합물의 초음속 팽창입니다(가도다이나믹 펌핑). 또한 언급되어야합니다 특별한 형태광학 펌핑, 레이저 빔을 사용하여 다른 레이저를 펌핑하는 경우(레이저 펌핑). 지향성 레이저 빔의 특성으로 인해 (비간섭성) 광학 펌핑의 경우처럼 특수 증백제가 필요 없이 다른 레이저를 펌핑하는 데 매우 편리합니다. 펌프 레이저는 단색 특성으로 인해 응용 분야가 고체 및 액체 레이저에만 국한되지 않고 가스 레이저를 펌핑하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 경우 펌프 레이저에서 방출되는 선은 펌핑 레이저의 흡수선과 일치해야 합니다. 예를 들어, 이는 대부분의 원적외선 레이저를 펌핑하는 데 사용됩니다.

광학 펌핑의 경우 강력한 비간섭성 램프의 빛이 적절한 광학 시스템을 사용하여 활성 매체로 전달됩니다. 그림에서. 그림 1은 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 펌핑 방식을 보여줍니다. 세 가지 경우 모두 매체는 원통형 막대 모양을 갖습니다. 그림에 표시됩니다. 1a 램프는 나선형 모양입니다. 이 경우 빛은 직접적으로 또는 거울 원통형 표면에서 반사된 후에 활성 매체로 들어갑니다(그림 1). 이 구성은 최초의 루비 레이저를 만드는 데 사용되었으며 여전히 때때로 펄스 레이저에 사용됩니다. 그림에서. 1b에서 램프는 원통형(선형 램프) 모양을 가지며, 그 반경과 길이는 활성 막대의 반경과 길이와 거의 같습니다. 램프는 거울 반사 타원형 원통(1)의 초점 축 F1 중 하나를 따라 배치되고, 레이저 막대는 다른 초점 축 F2를 따라 배치됩니다. 대부분의타원형 원통의 반사로 인해 램프에서 방출된 빛이 레이저 막대로 들어갑니다. 그림에서. 그림 1c는 소위 밀집형 구성의 예를 보여줍니다. 레이저 막대와 선형 램프는 가능한 한 서로 가깝게 위치하며 원통형 반사경(1)으로 단단히 둘러싸여 있습니다. 밀집형 구성의 효율성은 일반적으로 타원형 실린더의 효율성보다 크게 낮지 않습니다. 그림 1a와 c의 회로는 정반사체 대신 확산 반사 재료로 만들어진 실린더를 사용하는 경우가 많습니다. 복잡한 유형의 조명 장치도 사용되며, 그 디자인은 두 개 이상의 타원형 실린더 또는 조밀하게 채워진 구성의 여러 램프를 사용합니다.

연속파 레이저의 펌핑 효율을 램프에 실제로 공급되는 전기 펌프 전력 P에 대한 특정 펌프 속도를 생성하는 데 필요한 최소 펌프 전력 Pm의 비율로 정의하겠습니다. 최소 펌프 출력은 다음과 같이 쓸 수 있습니다. 여기서 V는 활성 매체의 부피이고, vp는 주 레이저 레벨과 상위 레이저 레벨 간의 주파수 차이입니다. 활성 로드를 따른 펌핑 속도의 전파는 많은 경우에 균일하지 않습니다. 따라서 활성 매체의 부피에 대해 평균화가 수행되는 평균 최소 펌프 전력을 결정하는 것이 더 정확합니다. 따라서

펄스 레이저의 경우, 비유하자면 평균 펌프 효율은 다음과 같습니다.

여기서 시간 적분은 펌프 펄스의 시작부터 끝까지 취해지며, E는 램프에 공급되는 전기 에너지입니다.

펌핑 과정은 4가지 다른 단계로 구성되는 것으로 간주할 수 있습니다. 1) 램프에서 방사선 방출, 2) 이 방사선을 활성 막대로 전달, 3) 막대에서 흡수, 4) 흡수된 에너지를 램프로 전달 상위 레이저 레벨.

식 (1) 또는 (!a)에서 펌핑 속도 Wp를 찾을 수 있습니다.

전기 펌핑은 가스 및 반도체 레이저에 사용됩니다. 가스 레이저의 전기 펌핑은 가스 혼합물에 직접 고주파(RF) 또는 펄스 전류를 전달하여 수행됩니다. 일반적으로 가스를 통한 전류는 레이저 축을 따라(세로 방전, 그림 2a) 또는 레이저 축을 가로질러(횡방전, 그림 2b) 흐를 수 있습니다. 종방향 방전 레이저에서는 전극이 링 형태인 경우가 많으며, 이온과의 충돌로 인한 양극재의 열화를 줄이기 위해 음극의 표면적을 양극의 표면적보다 훨씬 크게 만든다. 가로 방전을 사용하는 레이저에서는 전극이 레이저 매질의 전체 길이에 걸쳐 확장됩니다. 레이저의 종류에 따라 다양한 전극 디자인이 사용됩니다. 종방향 방전 회로는 일반적으로 연속파 레이저에 사용되는 반면, 횡방전 회로는 일정한 펄스 및 RF 전류로 펌핑하는 데 사용됩니다. 레이저의 가로 치수는 일반적으로 세로 치수보다 상당히 작기 때문에 동일한 가스 혼합물에서 가로 구성의 경우 적용해야 하는 전압은 세로 구성의 전압보다 상당히 낮습니다. 그러나 유전체(예: 유리) 튜브(그림 2a)에서 세로 방향 방전이 발생하는 경우 보다 균일하고 안정적인 펌프 분포를 얻을 수 있습니다.

전기 방전은 이온과 자유 전자를 생성하며, 적용된 전기장에서 추가 에너지를 얻기 때문에 충돌 시 중성 원자를 여기시킬 수 있습니다. 질량이 크기 때문에 양이온은 전자보다 훨씬 더 심하게 가속되므로 여기 과정에서 중요한 역할을 하지 않습니다.

5.20. 광학 공진기. 가우스 광선.

Fabry-Perot 간섭계와 같은 개방형 구조에는 특징적인 진동 모드가 있습니다. 현재까지, 거울의 구성과 상호 배열이 서로 다른 개방형 공진기의 많은 수정이 알려져 있습니다. 동일한 곡률을 갖는 두 개의 구형 반사기로 형성된 공진기는 오목한 표면이 서로를 향하고 구의 반경과 동일한 곡률 반경의 거리에 위치하며 가장 단순하고 편리하다는 점에서 구별됩니다. 구면 거울의 초점 거리는 곡률 반경의 절반과 같습니다. 따라서 반사경의 초점이 일치하므로 공진기를 공초점이라고 합니다(그림 1). 공초점 공진기에 대한 관심은 반사경이 서로 평행할 필요가 없는 조정의 편의성 때문입니다. 공초점 공진기의 축이 각 반사기와 가장자리에서 충분히 멀리 교차하면 됩니다. 그렇지 않으면 회절 손실이 너무 커질 수 있습니다.

공초점 공진기를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

공진기의 모든 치수가 파장에 비해 크다고 가정합니다. 그런 다음 해당 적분 방정식을 풀어 Huygens-Fresnel 원리를 기반으로 공진기 모드, 필드 분포 및 회절 손실을 얻을 수 있습니다. 공초점 공진기의 반사판이 측면 2a의 정사각형 단면을 가지며, 이는 거울 사이의 거리 l에 비해 작고 곡률 반경 R과 동일하며 프레넬 수가 큰 경우 적분의 고유 함수는 다음과 같습니다. Fox 및 Lee 유형의 방정식은 가우스 함수에 의한 Hermite 다항식 Hn(x)의 곱으로 근사화됩니다.

공진기의 중심에 원점이 있고 z 축이 공진기의 축과 일치하는 데카르트 좌표계에서 (그림 1) 가로 필드 분포는 다음 식으로 표시됩니다.

여기서 S2에 비례하여 공진기의 전계 강도가 e배만큼 떨어지는 단면 영역의 크기를 결정합니다. 즉, 이는 강도 분포의 폭입니다.

처음 몇 도의 에르미트 다항식은 다음과 같은 형식을 갖습니다.

가로 분포(1)를 제공하는 방정식의 고유 함수는 다음 조건에 의해 결정된 고유 주파수에 해당합니다.

그림에서. 그림 2는 (2)를 고려하여 공식 (1)에 따라 구성된 가로 좌표 중 하나에 대한 처음 세 개의 Hermite-Gaussian 함수를 그래픽으로 나타냅니다. 이 그래프는 가로 지수 n이 증가함에 따라 가로 필드 분포의 변화 특성을 명확하게 보여줍니다.

공초점 공동의 공명은 정수 값에 대해서만 발생합니다. 모드의 스펙트럼 m+n을 2단위로 증가시키고 q를 1만큼 감소시키면 동일한 주파수 값이 제공됩니다. 주 모드는 TEM00q이며, 가로 필드 분포는 간단한 가우스 함수에 의해 결정됩니다. 강도 분포의 폭은 법칙에 따라 z축을 따라 달라집니다.

여기서 , 는 공진기의 초점면에서 빔 반경을 의미합니다. 값은 공진기의 길이에 따라 결정되며

거울 표면에서 (4)와 (5)에서 알 수 있듯이 기본 모드 스폿의 면적은 가성 목의 단면적의 두 배입니다.

공진기 내부 필드에 대해 해(1)을 얻었습니다. 그러나 활성 레이저 공동의 경우처럼 거울 중 하나가 부분적으로 투명한 경우 나가는 파동은 가로 분포를 갖는 진행파입니다(1).

본질적으로 활성 공초점 공동의 기본 모드를 분리하는 것은 단색광의 가우스 빔을 생성하는 방법입니다. 좀 더 자세히 살펴 보겠습니다.) 각도 발산에 해당하는 너비

결과적으로 가우스 발사 에너지의 주요 부분은 입체각에 집중됩니다.

따라서 기본 모드에서 레이저 방사선의 발산은 가로 방향이 아니라 레이저 공동의 세로 크기에 따라 결정됩니다.

기본적으로 공식(8)은 가우스 트리거의 자기 회절로 인해 발생하는 회절파를 설명합니다. (8)에 의해 설명된 회절 패턴은 축 방향에서 멀어질 때 강도가 단조롭게 감소하는 것을 특징으로 합니다. 회절 패턴의 밝기에 진동이 전혀 없으며 분포 날개의 파동 강도가 급격히 감소합니다. 모든 조리개에서 가우스 빔의 회절은 크기가 빔 강도 분포의 폭을 충분히 초과하는 한 이러한 특성을 갖습니다.