Nurning tabiati. Spontan va rag'batlantirilgan emissiya. Energiya darajalarining populyatsiyasining inversiyasi. Lazer bilan ishlash printsipi. Populyatsiya inversiyasini olishning ko'p darajali sxemalari Aktiv muhitda populyatsiya inversiyasini yaratish

Xaotik issiqlik harakati paytida energiyaning atomlar o'rtasida taqsimlanishi notekis bo'ladi. Atomlarning ba'zilari hayajonlanadi, bu ularning yer sathidan yuqori energiya darajasida bo'lishiga mos keladi. Issiqlik muvozanati sharoitida va tashqi elektromagnit maydon bo'lmaganda, atomlarning ko'pchiligi minimal energiyaga ega. Majoziy ma'noda aytganda, yuqori qatlamlar aholisi quyi qatlamlarga qaraganda kamroq.

Energiya ta'siri ostida - haroratning oshishi, yorug'lik, tez zarralar tomonidan bombardimon qilish - hayajonlangan atomlarning ulushi ortadi, ya'ni yuqori darajadagi aholi soni ortadi. Bu jarayon 102-rasm, a, b da tasvirlangan.

Ko'rinib turibdiki, harorat oshishi bilan zarrachalarning yuqori darajadagi populyatsiyasi pastki qatlamlarga qaraganda ko'proq bo'lgan darajalar o'rtasida taqsimlanishi mumkin. Ammo bu unday emas. Axir hayajonlangan holat beqaror. Yuqori darajadagi aholining ko'payishi bilan radiatsiya bilan birga keladigan spontan o'tishlar ehtimoli ortadi.

1939 yilda Sovet fizigi V. A. Fabrikant qo'zg'algan atomlar soni asosiy holatdagi atomlar sonidan ko'p bo'lgan zarrachalarning shunday energiya taqsimotini yaratish mumkinligini taklif qildi (102-rasm, v). Bu holat darajalarning teskari populyatsiyasiga ega bo'lgan holat deb ataladi (lotincha inversio - aylantirish).

Keling, darajalarning teskari populyatsiyasi bo'lgan davlatga qanday maxsus xususiyatlar xosligini bilib olaylik.

Yorug'lik modda orqali tarqalsa, yorug'lik odatda so'riladi. Buning sababi, termodinamik muvozanat holatida moddadagi qo'zg'atmagan atomlar soni qo'zg'atilganlar sonidan ancha ko'p bo'ladi va shuning uchun fotonlar qo'zg'almagan atomlar bilan ko'proq o'zaro ta'sir qiladi, ya'ni ular modda tomonidan so'riladi.

Darajalari teskari populyatsiyasi bo'lgan moddada qo'zg'atilgan atomlar soni qo'zg'atmaganlar sonidan ko'proq bo'ladi. Bunday holda, fotonlarning qo'zg'almagan atom bilan uchrashish ehtimoli kamayadi, ya'ni fotonni yutish ehtimoli kamayadi. Modda shaffofroq yoki hatto yorug'likni kuchaytirishga qodir bo'ladi. Darhaqiqat, agar uning ichida foton harakatlansa, uning energiyasi holatlardagi atomlarning energiyalaridagi farqga to'liq teng bo'ladi (102-rasm, c), unda hayajonlangan atom bilan o'zaro ta'sirlashganda, bunday foton qo'zg'aluvchanlikni keltirib chiqaradi. emissiya. Natijada, xuddi shu turdagi ikkinchi foton paydo bo'ladi. Qolgan ikkita hayajonlangan atomlar bilan o'zaro ta'sir qilish orqali bu ikki foton yana ikkita atomning yorug'lik chiqarishiga olib keladi. Oxir-oqibat, bitta foton o'rniga yorug'likning kuchayishi bo'lgan moddadan ko'plab fotonlar ajralib chiqadi. Yorug'likning kuchayishiga chastotali fotonlar yordam beradi

modda tomonidan zaif so'riladi. Muhitda induktsiyalangan fotonlar soni so'rilganlar sonidan ortiq bo'lsa, muhit faol deyiladi.

Populyatsiya darajasi teskari bo'lgan ommaviy axborot vositalarining bu xususiyatlari 1951 yilda V. A. Fabrikant, M. M. Vudinskiy va F. A. Butaeva tomonidan o'rnatildi.

1964 yilda Davlat qo'mitasi Ixtirolar va kashfiyotlar uchun ushbu olimlarga kashfiyot diplomini berdi, unda, xususan, shunday deyiladi: "Zarralar yoki ularning tizimlari kontsentratsiyasi yuqori energiya darajasiga mos keladigan muhitdan o'tayotganda elektromagnit to'lqinlarning kuchayishining ilgari noma'lum hodisasi. hayajonlangan holatlar muvozanatdagi kontsentratsiyaga nisbatan haddan tashqari ko'pdir.

Populyatsiya inversiyasi - bir xil energiya holatiga ega bo'lgan atomlarning kontsentratsiyasi; termodinamik muvozanatda Boltsman statistikasiga bo'ysunadi:

Atomlarning kontsentratsiyasi qayerda, elektronlarning holati energiya bilan energiya darajalariga mos keladi va .

Qo'zg'atmagan atomlarning kontsentratsiyasi qo'zg'atilgan atomlarning kontsentratsiyasidan katta bo'lsa, qiymat Dn = manfiy, shuning uchun populyatsiya normal hisoblanadi. Qo'zg'atilgan atomlarning kontsentratsiyasi qo'zg'atmagan atomlarnikidan katta bo'lsa (bu nasos energiyasi bilan ta'minlanadi) Dn qiymati musbat bo'ladi, ya'ni populyatsiya inversiyasi sodir bo'ladi va qo'zg'aluvchan atomlar tufayli uzatiladigan nurlanish kuchayishi mumkin.

Rasmiy ravishda Dn > 0 sharti absolyut manfiy T haroratda bajariladi< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

Yarimo'tkazgichli lazerlarda o'tkazuvchanlik zonasi va valentlik zonasining energiya darajalari populyatsiyalari o'rtasidagi inversiya pn birikmasining musbat moyilligida tashuvchilarni in'ektsiya qilish orqali erishiladi.

Lazerli kuchaytirish

Lazerni kuchaytirish - bu induktsiya nurlanishidan foydalanishga asoslangan optik nurlanishning kuchayishi - radiatsiya kvanti qo'zg'alilgan holatda atomga ta'sir qilganda, elektron nurlanishning emissiyasi bilan birga energiyali holatdan energiyali holatga o'tadi. hayajonli kvantning energiyasiga teng energiyaga ega kvant hn = – .

Radiatsiya o'tkazilganda qo'zg'aluvchi atomlarning etarli konsentratsiyasi bo'lgan muhitda, agar hosil bo'lgan fotonlar soni yutilish va tarqalish natijasidagi yo'qotishlardan sezilarli darajada ko'p bo'lsa, kuchaytirish rejimini olish mumkin.

Inyeksion lazer 1.3-rasmda ko'rsatilgan

Guruch. 1.3 Yarimo'tkazgichli in'ektsion lazer (lazer diodi) qurilmasining sxemasi.

1-rasmda. 4-rasmda Fermi darajasining ichki va nopok yarim o'tkazgichlardagi holati ko'rsatilgan. Fermi sathining muhim xususiyatlaridan biri shundaki, n- va p tipidagi yarimo'tkazgichlardan tashkil topgan tizimda va ularga kuchlanish berilmasa, ularning Fermi darajalari tekislanadi (1. 4 a-rasm). Va agar ular turli potentsiallar ostida bo'lsa, u holda ulardagi Fermi darajalari potentsial farq miqdoriga siljiydi (1. 4. b-rasm).

1-rasm. 4. Inyeksion yarimo'tkazgichli lazerning energiya diagrammasi: tashqi kuchlanishsiz p-n o'tish (a); Oldinga yo'nalishda tashqi kuchlanishni qo'llashda p-n o'tish (b). d - kenglik p-n birikmasi, l - lazer ishini ta'minlovchi maydonning haqiqiy kengligi.

Bunday holda, in p-n zonasi o'tish paytida teskari populyatsiya hosil bo'ladi va elektronlar o'tkazuvchanlik zonasidan valentlik zonasiga o'tishni amalga oshiradi (teshiklar bilan qayta birlashadi). Bunday holda, fotonlar chiqariladi. Ushbu printsip bo'yicha LED ishlaydi. Agar optik rezonator shaklida ushbu fotonlar uchun ijobiy teskari aloqa yaratilsa, u holda p-n joylari tashqi qo'llaniladigan kuchlanishning katta qiymatlarida o'tish, lazer lazerini olish mumkin. Bunday holda, muvozanatsiz tashuvchilarning shakllanishi va rekombinatsiyasi jarayoni xaotik tarzda sodir bo'ladi va nurlanish past quvvatga ega va bir-biriga bog'liq bo'lmagan va monoxromatik emas. Bu yarimo'tkazgichli emitterning LED ish rejimiga mos keladi. Oqim chegara qiymatidan oshib ketganda, radiatsiya kogerent bo'ladi, uning spektral kengligi juda torayadi va intensivlik keskin ortadi - yarimo'tkazgichli emitentning lazerli ish rejimi boshlanadi. Shu bilan birga, hosil bo'lgan nurlanishning chiziqli polarizatsiya darajasi ham ortadi.

1-rasmda. 5-rasmda yarimo'tkazgichli lazerning konstruktsiyasi va chiqadigan nurlanishning intensivlik taqsimoti sxematik ko'rsatilgan. Qoidaga ko'ra, bunday lazerda rezonator kristalning pn birikmasi tekisligiga perpendikulyar bo'lgan ikkita diametrli qarama-qarshi tomonini silliqlash orqali yaratiladi. Ushbu samolyotlar parallel ravishda amalga oshiriladi va yuqori aniqlik bilan sayqallanadi. Chiqish sirtini radiatsiya o'tadigan yoriq deb hisoblash mumkin. Lazer nurlanishining burchak farqi bu tirqishdagi nurlanish diffraksiyasi bilan aniqlanadi. Da qalinligi p-n o'tish 20 mkm va kengligi 120 mkm, burchak farqi XZ tekisligida taxminan 60 va YZ tekisligida 10 ga to'g'ri keladi.

1-rasm. 5. Pn birikma lazerining sxematik diagrammasi. 1-p-n o'tish hududi (faol qatlam); XY tekisligida lazer nurining 2-seksiyasi.

Zamonaviy yarimo'tkazgichli lazerlarda yarimo'tkazgichli heterostrukturalar keng qo'llaniladi, ularning rivojlanishiga Rossiya Fanlar akademiyasining akademigi J. I. Alferov katta hissa qo'shdi. Nobel mukofoti 2000). Geterostrukturalarga asoslangan lazerlar yaxshiroq xususiyatlarga ega, masalan, yuqori chiqish quvvati va kam farqlanish. Ikki tomonlama heterostrukturaning misoli rasmda ko'rsatilgan. 1. 6, va uning energiya diagrammasi shakl. 1. 7.

Guruch. 1.6. Yarimo'tkazgichning qo'sh geterostrukturasi. 1-elektr kontaktini yaratish uchun o'tkazuvchan metalllashtirilgan qatlam; 2 qatlamli GaAs (n); 3 qatlamli Al0.3Ga0.7As (n); Zaryad tashuvchisi inyeksiya zonasiga mos keladigan 4-qatlam (p-n o'tish); 5 qatlamli Al0.3Ga0.7As (p); 6 qatlamli GaAs (p); 7-o'tkazmaydigan metall oksidi qatlami p-n o'tish orqali oqimni cheklash, radiatsiya hosil qilish zonasini tashkil qiladi; 8,9 - elektr kontaktini yaratish uchun qo'shni qatlamlar; 10-issiqlik qabul qiluvchi bilan substrat.

Guruch. 1.7 Ikki tomonlama heterostrukturaning energiya diagrammasi, Y o'qi va qatlam raqamlari rasmga mos keladi. 1. 6. DEgc - tarmoqli bo'shlig'i; DEgv - p-n birikmasining tarmoqli bo'shlig'i.

Guruch. 1. 8. Geterostrukturali yarimo‘tkazgichli lazer: l – bo‘shliq uzunligi

Faol muhit

Faol muhit - bu teskari populyatsiya hosil bo'lgan moddadir. IN turli xil turlari Lazerlarda u qattiq (yaqut yoki itriy alyuminiy granat kristallari, turli o'lchamdagi va shakldagi novdalar shaklida neodimiy aralashmasi bo'lgan shisha), suyuq (anilin bo'yoqlari yoki kyuvetlardagi neodim tuzlarining eritmalari) bo'lishi mumkin. va gazsimon (geliyning neon, argon, karbonat angidrid, shisha naychalardagi past bosimli suv bug'lari bilan aralashmasi). Yarimo'tkazgichli materiallar va sovuq plazma mahsulotlari kimyoviy reaksiya Ular lazer nurlanishini ham chiqaradilar. Lazerlar ishlatiladigan faol muhitga qarab nomlanadi.

Yarimo'tkazgichli lazerlar qattiq holatda bo'lishiga qaramay, ular odatda maxsus guruhga bo'linadi. Ushbu lazerlarda elektronlarning o'tkazuvchanlik zonasining pastki chetidan valentlik zonasining yuqori chetiga o'tishi tufayli kogerent nurlanish hosil bo'ladi.

Yarimo'tkazgichli lazerlarning ikki turi mavjud.

Birinchisi sof yarimo'tkazgichli gofretga ega, bu erda yarimo'tkazgichlar sifatida galyum arsenid GaAs, kadmiy sulfid CdS yoki kadmiy selenid CdSe ishlatiladi.

Yarimo'tkazgichli lazerning ikkinchi turi - in'ektsiya lazeri - donor va qabul qiluvchi aralashmalarning kontsentratsiyasi 1018-1019 bo'lgan nopok yarim o'tkazgichlardan iborat. Gallium arsenid GaAs asosan in'ektsiya lazerlari uchun ishlatiladi.

v chastotasida yarimo'tkazgichlar uchun populyatsiya inversiyasini yaratish sharti quyidagi shaklga ega:

∆F= - >hv

Ya'ni, yarimo'tkazgichli monokristaldagi nurlanish kuchayishi uchun elektronlar va teshiklar uchun Fermi darajalari orasidagi masofa yorug'lik kvantining hv energiyasidan katta bo'lishi kerak. Chastota qanchalik past bo'lsa, qo'zg'alish darajasi qanchalik past bo'lsa, teskari populyatsiyaga erishiladi.

Nasos tizimi

Nasos faol muhitda teskari populyatsiyani yaratadi va har bir vosita uchun eng qulay va samarali usul nasos. Qattiq va suyuq lazerlarda impulsli lampalar yoki lazerlar qo'llaniladi, gazsimon muhitlar elektr razryad bilan, yarim o'tkazgichlar esa elektr toki bilan qo'zg'atiladi.

Yarimo'tkazgichli lazerlar elektron nurli (sof yarimo'tkazgichdan yarimo'tkazgichli lazerlar uchun) va to'g'ridan-to'g'ri kuchlanish (in'ektsiya yarimo'tkazgichli lazerlar uchun) bilan nasosdan foydalanadi.

Elektron nur bilan nasos ko'ndalang (3.1-rasm) yoki uzunlamasına (3.2-rasm) bo'lishi mumkin. Transvers nasos paytida yarimo'tkazgich kristalining ikki qarama-qarshi yuzi sayqallanadi va optik rezonatorning ko'zgu rolini o'ynaydi. Uzunlamasına nasos bo'lsa, tashqi nometall ishlatiladi. Uzunlamasına nasos bilan yarimo'tkazgichni sovutish sezilarli darajada yaxshilanadi. Bunday lazerga misol sifatida to'lqin uzunligi 0,49 mkm bo'lgan va taxminan 25% samaradorlikka ega bo'lgan radiatsiya hosil qiluvchi kadmiy sulfidli lazerdir.

Guruch. 3.1 - elektron nur bilan ko'ndalang nasos

Guruch. 3.2 - elektron nur bilan uzunlamasına nasos

In'ektsiya lazerida ikkita degeneratsiyalangan nopoklik yarimo'tkazgichlari tomonidan hosil qilingan pn birikmasi mavjud. Oldinga kuchlanish qo'llanilganda, pn birikmasidagi potentsial to'siq tushiriladi va elektronlar va teshiklar AOK qilinadi. O'tish hududida zaryad tashuvchilarning intensiv rekombinatsiyasi boshlanadi, bunda elektronlar o'tkazuvchanlik zonasidan valentlik zonasiga o'tadi va lazer nurlanishi sodir bo'ladi (3.3-rasm).

Guruch. 3.3 - Inyeksion lazerni loyihalash printsipi

Nasos pulsli yoki uzluksiz lazer ishlashini ta'minlaydi.

Rezonator

Rezonator bir-biriga parallel bo'lgan bir juft ko'zgu bo'lib, ular orasida faol muhit joylashgan. Bitta oyna ("kar") unga tushadigan barcha yorug'likni aks ettiradi; ikkinchisi, shaffof, rag'batlantirilgan emissiya uchun radiatsiyaning bir qismini atrof-muhitga qaytaradi va bir qismi lazer nuri shaklida tashqariga chiqariladi. To'liq ichki prizma ko'pincha "kar" oynasi sifatida ishlatiladi va shaffof oyna sifatida shisha plitalar to'plami ishlatiladi. Bundan tashqari, ko'zgular orasidagi masofani tanlab, rezonatorni shunday sozlash mumkinki, lazer faqat bitta, qat'iy belgilangan turdagi (rejim deb ataladigan) nurlanish hosil qiladi.

Barcha turdagi lazerlarda keng qo'llaniladigan eng oddiy optik rezonator tekis rezonator (Faby-Perot interferometri) bo'lib, bir-biridan uzoqda joylashgan ikkita tekis-parallel plastinkadan iborat.

Bitta plastinka sifatida siz aks ettirish koeffitsienti birlikka yaqin bo'lgan aks ettiruvchi oynadan foydalanishingiz mumkin. Ikkinchi plastinka shaffof bo'lishi kerak, shunda hosil bo'lgan nurlanish rezonatordan chiqishi mumkin. Plitalarning sirtlarining aks ettirish qobiliyatini oshirish uchun odatda ularga ko'p qatlamli dielektrik aks ettiruvchi qoplamalar qo'llaniladi. Bunday qoplamalarda yorug'likning yutilishi deyarli yo'q. Ba'zan aks ettiruvchi qoplamalar to'g'ridan-to'g'ri faol vosita rodlarining tekislik-parallel uchlariga qo'llaniladi. Keyin masofaviy nometalllarga ehtiyoj qolmaydi.

Guruch. 4.1. Optik rezonatorlarning turlari: a - tekis, b - prizma, c - konfokal, d - yarim konsentrik, e - kompozit, f - halqa, g, h - kesishgan, i - Bragg oynalari bilan. Faol elementlar soyalanadi.

To'rtburchak prizma optik bo'shliqda aks ettiruvchi oyna sifatida ishlatilishi mumkin (4.1-rasm, b). Prizmaning ichki tekisligiga perpendikulyar tushayotgan yorug'lik nurlari qo'shaloq to'liq aks etish natijasida undan rezonator o'qiga parallel yo'nalishda chiqadi.

Optik rezonatorlarda tekis plitalar o'rniga konkav shaffof nometalllardan foydalanish mumkin. Egrilik radiusi bir xil bo'lgan ikkita ko'zgu, ularning o'choqlari bir xil F nuqtada joylashganki (4.1-rasm, v) konfokal rezonator hosil qiladi. Ko'zgular orasidagi masofa l=R ga teng. Agar bu masofa ikki barobarga qisqartirilsa, bir oynaning fokusi ikkinchisining yuzasida bo'lsa, u holda konfokal rezonator olinadi.

Uchun ilmiy tadqiqot va turli amaliy maqsadlarda nafaqat ko'zgulardan, balki lazer nurlanishining xususiyatlarini nazorat qilish va o'zgartirish imkonini beradigan boshqa optik elementlardan iborat bo'lgan murakkabroq rezonatorlar qo'llaniladi. Masalan, rasm. 4. 1, d - to'rtta faol elementdan hosil bo'lgan nurlanish yig'iladigan kompozit rezonator. Lazerli giroskoplar halqali rezonatordan foydalanadi, bunda ikkita nur bir-biriga qarama-qarshi yoʻnalishda yopiq siniq chiziq boʻylab tarqaladi (4. 1e-rasm).

Kompyuterlar va integral modullarning mantiqiy elementlarini yaratish uchun ko'p komponentli kesishgan rezonatorlar qo'llaniladi (4-rasm. 1. g, h). Bu, asosan, selektiv ravishda qo'zg'atilishi va kuchli optik ulanish orqali bir-biriga bog'lanishi mumkin bo'lgan lazerlar to'plamidir.

Lazerlarning maxsus klassi taqsimlangan fikr-mulohazaga ega lazerlardir. An'anaviy optik rezonatorlarda rezonator oynalaridan hosil bo'lgan nurlanishning aks etishi tufayli qayta aloqa o'rnatiladi. Tarqalganda fikr-mulohaza aks ettirish optik jihatdan bir hil bo'lmagan davriy tuzilishdan sodir bo'ladi. Bunday tuzilishga difraksion panjara misol bo'la oladi. U mexanik usulda (4. 1, i-rasm) yoki bir hil muhitda tanlab ta'sir qilish orqali yaratilishi mumkin.

Boshqa rezonator dizaynlari ham qo'llaniladi.

Ta'rifga ko'ra, rezonator elementlari passiv va faol panjurlarni, radiatsiya modulyatorlarini, polarizatorlarni va lazerni olish uchun ishlatiladigan boshqa optik elementlarni o'z ichiga olishi kerak.

Bo'shliq yo'qotishlari

Radiatsiyani yaratishni quyidagicha soddalashtirish mumkin: lazerning ishchi moddasi rezonatorga joylashtiriladi va nasos tizimi yoqiladi. Tashqi qo'zg'alish ta'siri ostida darajalarning teskari populyatsiyasi hosil bo'ladi va ma'lum bir spektral diapazondagi yutilish koeffitsienti noldan kamroq bo'ladi. Qo'zg'alish jarayonida, hatto populyatsiya inversiyasi hosil bo'lgunga qadar, ishchi modda lyuminestsatsiya qila boshlaydi. Faol muhitdan o'tib, spontan emissiya kuchayadi. Daromadning kattaligi daromadning mahsuloti va faol muhitdagi yorug'lik yo'lining uzunligi bilan belgilanadi. Rezonatorning har bir turida shunday tanlangan yo'nalishlar mavjudki, yorug'lik nurlari ko'zgulardan aks etishi tufayli faol muhitdan cheksiz ko'p marta o'tadi. Masalan, tekis rezonatorda faol muhitdan faqat rezonator o'qiga parallel ravishda tarqaladigan nurlar o'tishi mumkin. Rezonator o'qiga burchak ostida ko'zgularga tushadigan barcha boshqa nurlar undan bir yoki bir nechta aks ettirishdan keyin chiqadi. Yo'qotishlar shunday ko'rinadi.

Rezonatorda bir necha turdagi yo'qotishlar mavjud:

1.Ko'zgulardagi yo'qotishlar.

Muhitda hosil bo'lgan nurlanishning bir qismi rezonatordan olib tashlanishi kerakligi sababli, ishlatiladigan nometall (ularning kamida bittasi) shaffof bo'ladi. Agar ko'zgularning intensivlik aks ettirish koeffitsientlari R1 va R2 ga teng bo'lsa, u holda rezonatordan uzunlik birligiga radiatsiya chiqishi uchun foydali yo'qotish koeffitsienti quyidagi formula bilan aniqlanadi:

2.Geometrik yo'qotishlar

Agar nur rezonator ichida ko'zgu sirtlari uchun mutlaqo normal bo'lmasa, u holda ma'lum miqdordagi ko'zgulardan so'ng u ko'zgularning chetiga etib boradi va rezonatorni tark etadi.

3. Difraksion yo'qotishlar.

Radiusi a bo'lgan ikkita tekis-parallel aylana oynadan hosil bo'lgan rezonatorni ko'rib chiqaylik. To‘lqin uzunligi l bo‘lgan parallel nurlanish dastasi 2-oynaga tushsin. Nur oynadan aks etadi va bir vaqtning o'zida d s ≈ l a tartibli burchakka difraksiya qiladi. Berilgan rezonator uchun Fresnel soni - oxirgi nurning divergensiyasi ko'zgularning chetidan s = a/L radiatsiya chiqish burchagiga yetganda, ko'zgular orasidagi o'tishlar soni.

4. Faol muhitning bir jinsliligi bilan sochilishi.

Agar rezonator faol muhit bilan to'ldirilgan bo'lsa, unda qo'shimcha yo'qotish manbalari paydo bo'ladi. Radiatsiya faol muhitdan o'tganda, nurlanishning bir qismi bir hil bo'lmagan va begona qo'shimchalar bilan tarqaladi, shuningdek, rezonanssiz yutilish natijasida zaiflashadi. Rezonanssiz yutilish deganda ma'lum bir muhit uchun ishlamaydigan darajalar orasidagi optik o'tishlar bilan bog'liq bo'lgan yutilish tushuniladi. Bu, shuningdek, ko'zgulardagi energiyaning qisman tarqalishi va so'rilishi bilan bog'liq yo'qotishlarni ham o'z ichiga olishi mumkin.

Populyatsiyaning inversiyasi

fizikada uning tarkibidagi zarrachalarning (atomlar, molekulalar va boshqalar) yuqori energiya darajalari quyiroqlarga qaraganda zarrachalar bilan ko'proq "to'ldirilgan" materiya holati (qarang. populyatsiya darajasi). Oddiy sharoitlarda (issiqlik muvozanatida) teskari munosabatlar yuzaga keladi: yuqori darajadagi zarrachalar pastki darajalarga qaraganda kamroq (qarang. Boltzman statistikasi).

Buyuk Sovet Entsiklopediyasi. - M.: Sovet Entsiklopediyasi. 1969-1978 .

Boshqa lug'atlarda "Aholining inversiyasi" nima ekanligini ko'ring:

- (lotincha inversio, inversiya, qayta tartibga solish so'zidan), uning tarkibiy qismlari (atomlar, molekulalar va boshqalar) uchun quyidagi tengsizlik amal qiladigan va ichida muvozanatsiz holat: N2/g2>N1/g1, bu erda N2 va N1. populyatsiyalar yuqori. va pastroq energiya darajalari, g2 va g1 ularning...... Jismoniy ensiklopediya

Zamonaviy ensiklopediya

Populyatsiyaning inversiyasi- (lotincha inversio, ag'darish, qayta tartibga solish) materiyaning muvozanatsiz holati, bunda odatdagi issiqlik muvozanat holatidan farqli o'laroq, moddani tashkil etuvchi zarrachalar (atomlar, molekulalar) soni teng bo'ladi. yuqoriroq...... Tasvirlangan ensiklopedik lug'at

AHOLI INVERSIYASI- moddaning nomutanosiblik holati, bunda uni tashkil etuvchi zarrachalar (elektronlar, atomlar, molekulalar va boshqalar)ning qo'zg'atilgan (yuqori) energiya darajasidagi populyatsiyasi (kontsentratsiyasi) muvozanat (pastki) darajadagi populyatsiyadan yuqori bo'ladi; zarur... Katta politexnika entsiklopediyasi

Moddani tashkil etuvchi bir turdagi atomlar (ionlar, molekulalar) energiya darajalarining juftligining yuqori qismidagi populyatsiyasi pastki qismidagi populyatsiyadan ko'p bo'lgan moddaning muvozanatsiz holati. Populyatsiyaning inversiyasi lazerlarning ishlashiga asoslanadi va ... ... ensiklopedik lug'at

VA dagi nomutanosiblik holati, bunda VA tarkibiga kiradigan bir turdagi atomlar (ionlar, molekulalar) juft energiya darajalarining yuqori populyatsiyasi pastki qismidagi populyatsiyadan oshib ketadi. I. va. lazerlar va boshqa kvant qurilmalarining ishlashi asosida... ... Tabiatshunoslik. ensiklopedik lug'at

Fizika va statistik mexanikaning asosiy tushunchalaridan biri lazerlarning ishlash tamoyillarini tavsiflash uchun ishlatiladi. Mundarija 1 Boltsman taqsimoti va termodinamik muvozanat ... Vikipediya

Elektron populyatsiyalarning inversiyasi fizika va statistik mexanikaning asosiy tushunchalaridan biri bo'lib, lazerlarning ishlash tamoyillarini tavsiflash uchun ishlatiladi. Mundarija 1 Boltsman taqsimoti va termodinamik muvozanat ... Vikipediya

Atom zichligi quyida joylashgan ikki darajali tizimni ko'rib chiqaylik n 1 va yuqori n 2 energiya darajasi.

Birinchi darajadan ikkinchi darajaga majburiy o'tish ehtimoli quyidagilarga teng:

Qayerda σ 12 - radiatsiya intensivligi ta'sirida o'tish ehtimoli J.

Keyin vaqt birligi uchun induksiyalangan o'tishlar soni bo'ladi

Tizim ikkinchi darajadan ikki yo'l bilan harakatlanishi mumkin: majburiy va o'z-o'zidan. Tashqi qo'zg'alish tugagandan so'ng tizim termodinamik muvozanat holatiga kelishi uchun o'z-o'zidan o'tish kerak. O'z-o'zidan o'tishlarni muhitning termal nurlanishidan kelib chiqadigan o'tishlar deb hisoblash mumkin. Vaqt birligidagi o'z-o'zidan o'tishlar soni ga teng, bu erda A 2 - o'z-o'zidan o'tish ehtimoli. Ikkinchi darajadan majburiy o'tishlar soni

Samarali yutilish va emissiya kesmalarining nisbati teng

Qayerda g 1 , g 2 darajali degeneratsiyaning ko'pligi.

Balans tenglamasi umumiy songa teng bo'lishi kerak bo'lgan darajadagi populyatsiyalar yig'indisi bilan aniqlanadi n Tizimda 0 ta zarracha n 1 + n 2 =n 0 .

Vaqt o'tishi bilan populyatsiyalarning o'zgarishi quyidagi tenglamalar bilan tavsiflanadi.

Bu tenglamalarning yechimi quyidagicha.

Populyatsiyalarning vaqt hosilalari nolga teng bo'lgan statsionar holatda ushbu tenglamalarning yechimi quyidagicha bo'ladi:

Ikki darajali tizimning teskari populyatsiyasi taqdim etiladi, yoki

Bundan kelib chiqadiki, faqat yuqori darajadagi degeneratsiyaning ko'pligi asosiy darajadagi degeneratsiyaning ko'pligidan ko'p bo'lsa, o'z-o'zidan o'tishlar tufayli aholining yo'qolishini hisobga olgan holda, populyatsiyaning teskari holati mumkin bo'ladi. Yadro tizimlari uchun bu dargumon. Biroq, bu yarimo'tkazgichlar uchun mumkin, chunki o'tkazuvchanlik zonasi va valentlik zonasi holatlarining ko'pligi holatlarning zichligi bilan belgilanadi.

Uch darajali tizimlarning teskari populyatsiyasi

Agar energiya bilan uchta darajadagi tizimni ko'rib chiqsak E 1 , E 2 , E 3, va E 1 >E 2 >E 3 va aholi soni n 1 , n 2 , n 3 bo'lsa, populyatsiyalar uchun tenglamalar bo'ladi.

Statsionar holatda darajalarning degeneratsiyasining ko'pligidagi farqni hisobga olmagan holda, teskari populyatsiyaga nisbatan ushbu tenglamalarni hal qilish:

Statsionar holatda

Teskari populyatsiyaning mavjudligi sharti D>0 bajariladi, agar

Yarimo'tkazgichlarda uchta darajali tizimni quyi daraja valentlik zonasi va ikkita yuqori daraja o'tkazuvchanlik zonasining ikkita holati bo'lgan tizim deb hisoblash mumkin. Odatda, o'tkazuvchanlik zonasi ichida radiatsiyaviy bo'lmagan o'tishlar ehtimoli zona-zona o'tish ehtimolidan ancha katta, shuning uchun A 32 » A 31, shuning uchun populyatsiyaning inversiyasi sharti bo'ladi:

Chunki

bu erda r 13 - faol materialning yutilish zonasida o'rtacha hisoblangan nasosning energiya zichligi bu shartni qondirish mumkin;

Kuchli elektr maydonlarida elektr o'tkazuvchanligi

Chiziqsiz Ohm qonuni

Kuchli elektr maydonlarda zarrachaga ta'sir qiluvchi kuch kuchayadi, bu esa zarracha tezligining oshishiga olib keladi. Zarracha tezligi issiqlik harakati tezligidan kamroq ekan, ta'sir elektr maydoni elektr o'tkazuvchanligi bo'yicha ahamiyatsiz va chiziqli Ohm qonuni bajariladi. Elektr maydoni kuchayishi bilan zarrachaning siljish tezligi oshadi va elektr o'tkazuvchanligining elektr maydon kuchiga bog'liqligi chiziqli bo'ladi.

Kristal panjara tebranishlari bilan tarqalish paytida o'rtacha erkin yo'l energiyaga bog'liq emasligi sababli, elektr maydon kuchi va siljish tezligining oshishi bilan bo'shashish vaqti kamayadi va harakatchanlik kamayadi. Intensivlik elektr maydonidagi zarrachaga ta'sir qiluvchi kuch E ga teng uni. Bu kuch tezlanishni keltirib chiqaradi va zarrachaning issiqlik tezligini o'zgartiradi v T. Elektr maydoni ta'sirida zarracha tezlashadi va vaqt birligida kuchlar ishiga teng energiya oladi. uni:

(7.1) .

Boshqa tomondan, bitta to'qnashuvda yoki uning erkin yo'lida zarracha tomonidan yo'qotilgan energiya umumiy energiyaning kichik qismini (p) tashkil qiladi. T va vaqt birligi uchun. Shuning uchun biz yozishimiz mumkin: .

Ushbu ifodani (7.1) formula bilan tenglashtirib, biz elektr maydon kuchi va zarracha tezligi uchun tenglamani olishimiz mumkin:

(7.2) , yoki . .

Tebranishlar orqali tarqalish uchun o'rtacha erkin yo'l doimiy bo'ladi, u holda tezlik elektr maydon kuchiga bog'liq bo'ladi:

Bu erda harakatchanlik elektr maydon kuchiga quyidagi tarzda bog'liq bo'ladi:

Elektr maydoni kuchayishi bilan harakatchanlik pasayadi.

Kuchli maydonlarda chiziqli bo'lmagan Ohm qonuni quyidagi ko'rinishga ega bo'ladi: .

Zinner effekti

Zinner effekti zona-zona tunnel o'tishi tufayli elektronlarning maydon emissiyasida namoyon bo'ladi. Elektron kristall panjaraning bir joyidan ikkinchisiga o'tganda, ikkita maydonni ajratib turadigan potentsial to'siqni engib o'tish kerak. Ushbu potentsial to'siq tarmoqli bo'shlig'ini aniqlaydi. Elektr maydonini qo'llash tashqi elektr maydonining yo'nalishiga qarama-qarshi yo'nalishda potentsial to'siqni pasaytiradi va yadroga bog'langan holatdan o'tkazuvchanlik zonasiga elektron tunnel o'tish ehtimolini oshiradi. O'zining tabiatiga ko'ra, bu o'tish valentlik zonasining elektronlari bilan sodir bo'ladi va elektronlar oqimi kristall panjaraning tugunidan o'tkazuvchanlik zonasining erkin holatiga yo'naltiriladi. Bu ta'sir Zinner parchalanishi yoki sovuq elektron emissiyasi deb ham ataladi. 10 4 – 10 5 V/sm quvvatga ega elektr maydonlarida kuzatiladi.

Stark effekti

Stark effekti atom darajalari energiyasining o'zgarishiga va valentlik zonasining kengayishiga olib keladi. Bu tarmoqli bo'shliqning pasayishiga va elektronlar va teshiklarning muvozanat kontsentratsiyasining oshishiga o'xshaydi.

Masofadagi shtatlarda r 0 atom yadrosidan, tashqi elektr maydonidan elektronga ta'sir qiluvchi kuch yadroga tortish kuchini muvozanatlashi mumkin:

Bunday holda, atomdan elektronni olib tashlash va uni erkin holatga o'tkazish mumkin. (7.6) formuladan ionlanish masofasi quyidagilarga teng:

Ushbu ta'sir elektronning erkin holatga o'tishidagi potentsial to'siqni quyidagi miqdorga kamaytiradi:

(7.7) .

Potentsial to'siqning pasayishi issiqlik qo'zg'alish ehtimolini miqdorga oshirishga olib keladi:

(7.8) .

Bu ta'sir 10 5 - 10 6 V / sm kuchga ega bo'lgan elektr maydonlarida kuzatiladi.

Gan effekti

Bu ta'sir turli egrilikdagi o'tkazuvchanlik zonasining ikkita energiya minimaliga ega yarimo'tkazgichlarda kuzatiladi va mahalliy minimumning samarali massasi mutlaq minimumning asosiy holatining samarali massasidan katta bo'lishi kerak. Kuchli in'ektsiya darajalarida elektronlar er minimal holatlarini to'ldirishi va asosiy minimaldan boshqa mahalliy minimumga o'tishi mumkin. Mahalliy minimumdagi elektronlarning massasi katta bo'lganligi sababli, uzatilgan elektronlarning drift harakatchanligi kamroq bo'ladi, bu esa elektr o'tkazuvchanligining pasayishiga olib keladi. Ushbu pasayish oqimning pasayishiga va o'tkazuvchanlik zonasiga in'ektsiyaning pasayishiga olib keladi, bu esa elektronlarning o'tkazuvchanlik zonasining asosiy minimumida cho'kishiga, dastlabki holatning tiklanishiga va oqimning oshishiga olib keladi. Natijada yuqori chastotali oqim tebranishlari paydo bo'ladi.

Bu ta'sir GaAlarda kuzatildi n 0,025 mm uzunlikdagi namunaga berilganda yozing. kuchlanish pulsi 16 V, davomiyligi 10 8 Hz. Tebranish chastotasi 10 9 Gts edi.

Hahn effekti siljish tezligi elektronlarning issiqlik tezligi bilan taqqoslanadigan sohalarda kuzatiladi.

Qattiq jismlardagi qo'zg'alishlar

Eksitonning tabiati

Agar kristall elektromagnit maydon tomonidan qo'zg'atilgan bo'lsa, u holda o'tkazuvchanlik zonasidan elektronlar valentlik zonasiga o'tib, elektron-teshik juftligini hosil qiladi: o'tkazuvchanlik zonasida elektron va valentlik zonasida teshik. Teshik musbat zaryad sifatida ko'rinadi, chunki elektron valentlik zonasida elektronning manfiy zaryadining yo'qligi musbat zaryadning paydo bo'lishiga olib keladi. Shuning uchun, er-xotin ichida jalb qilishning o'zaro ta'siri sodir bo'ladi. Jozibali energiya manfiy bo'lgani uchun, hosil bo'lgan o'tish energiyasi juftlikdagi elektron va teshik orasidagi jozibali energiya miqdori bo'yicha tarmoqli bo'shlig'ining energiyasidan kamroq bo'ladi. Bu energiyani quyidagicha yozish mumkin:

Qaerda - e- elektron zaryad; Ze- elektron o'tkazuvchanlik zonasiga o'tgan atomning zaryadi; r eh– elektron va tuynuk orasidagi masofa, vakuumdagi nuqtaviy zaryadlarning oʻzaro taʼsiri yoki mikroskopik turdagi dielektrik oʻtkazuvchanlik bilan solishtirganda elektron va teshik oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirning kamayishini aniqlovchi e-koeffitsient.

Agar elektron o'tish kristall panjaraning neytral joyida sodir bo'lsa, u holda Z=1 va teshikning zaryadi e qarama-qarshi ishorali elektronning zaryadi. Agar saytning valentligi kristall panjaraning asosiy atomlarining valentligidan bittaga farq qilsa, u holda Z=2.

Mikroskopik turdagi dielektrik doimiy e ikki omil bilan belgilanadi:

· Elektron va teshik o'rtasidagi o'zaro ta'sir kristall muhitda sodir bo'ladi. Bu kristall panjarani polarizatsiya qiladi va elektron va teshik o'rtasidagi o'zaro ta'sir kuchi zaiflashadi.

· Kristaldagi elektron va tuynukni nuqtaviy zaryadlar sifatida tasvirlash mumkin emas, balki zichliklari fazoda “qoralangan” zaryadlar sifatida. Bu elektron va teshik o'rtasidagi o'zaro ta'sir kuchini kamaytiradi. Xuddi shunday holat atomlarda ham kuzatilishi mumkin. Atomdagi elektronlar orasidagi o'zaro ta'sir elektron va yadro o'rtasidagi o'zaro ta'sirdan 5-7 baravar kam, ammo ular orasidagi masofalarni solishtirish mumkin. Bu orbitadagi elektronlarning bir nuqtada to'planmaganligi, lekin ular orasidagi o'zaro ta'sirni kamaytiradigan tarqalish zichligi bilan tavsiflanganligi sababli yuzaga keladi. Atom yadrosi nuqtaviy zaryad sifatida yaxshi darajada aniqlik bilan ifodalanishi mumkin, shuning uchun elektronlarning yadro bilan o'zaro ta'siri elektronlar orasidagi o'zaro ta'sirdan ko'ra ko'proq bo'ladi, bu atomlar mavjudligining barqarorligini ta'minlaydi.

Har xil turdagi eksitonlar uchun bu ikki omilning ta'siri har xil: Frenkel eksitonlari (kichik radius) va Wannier eksitonlari (katta radius).

Qo'zg'alish energiyasi va radiusi

Eksitonning bog'lanish energiyasi elektron va teshik orasidagi masofaga bog'liq. Elektron va teshik qo'zg'alish radiusi bo'lgan orbitadagi massa markaziga nisbatan harakat qiladi r eh. Qo'zg'alishning barqaror mavjudligi uchun qo'zg'alish orbitasida to'lqinlar soni bo'lgan doimiy to'lqin hosil bo'lishi kerak. n.. Bu nisbatni qayerdan olishingiz mumkin:

Qayerda R- elektron va teshikning bir-biriga nisbatan harakat miqdori. Harakat miqdori elektron va teshikning nisbiy harakatining kinetik energiyasi T orqali ifodalanishi mumkin: , bu erda m - eksitonning kamaytirilgan massasi.

Kamaytirilgan eksiton massasi o'rtacha garmonik qiymat sifatida elektron va teshikning samarali massalaridan iborat bo'lishi kerak. Agar teshikning massasi katta bo'lsa, unda kinetik energiya eksiton yoki elektronning teshikka nisbatan harakatining kinetik energiyasini elektron massasi bilan aniqlash kerak. Shunung uchun

Agar samarali massalar elektronlar va teshiklar teng bo'lsa, kamaytirilgan qo'zg'alish massasi ½ ga teng, agar mahalliylashtirilgan qo'zg'alish bo'lsa, u holda m h>>m e kamaytirilgan eksiton massasi esa birlikka teng.

Bepul hayajon uchun Z=1, m¢=1/2, qo'zg'alish energiyasi va radiusi teng

(8.7) .

Mahalliy qo'zg'alish uchun Z=2, m¢=1 qo'zg'alish energiyasi va radiusi teng

(8.8) .

Shunday qilib, erkin qo'zg'alish darajalarining energiyasi mahalliylashtirilgan qo'zg'alish energiyasidan 8 baravar kam, radius esa 4 marta katta ekanligi ma'lum bo'ldi.

Nasos, qoida tariqasida, ikkita usuldan birida amalga oshiriladi: optik yoki elektr. Optik nasos paytida kuchli yorug'lik manbasining nurlanishi faol muhit tomonidan so'riladi va shu bilan faol muhitning atomlarini yuqori darajaga o'tkazadi. Bu usul, ayniqsa, qattiq holatdagi yoki suyuq holatdagi lazerlar uchun javob beradi. Qattiq va suyuqliklarda chiziqni kengaytirish mexanizmlari spektral chiziqlarning juda sezilarli darajada kengayishiga olib keladi, shuning uchun biz odatda nasos darajalari bilan emas, balki nasosning yutilish bantlari bilan shug'ullanamiz. Ushbu chiziqlar nasos lampasi chiqaradigan yorug'likning muhim qismini o'zlashtiradi. Elektr nasosi juda kuchli elektr zaryadsizlanishi orqali amalga oshiriladi va ayniqsa gaz va yarim o'tkazgich lazerlari uchun javob beradi. Xususan, gaz lazerlarida ularning assimilyatsiya chiziqlarining spektral kengligi kichik bo'lganligi va nasos lampalari keng polosali nurlanish hosil qilganligi sababli, optik nasosni amalga oshirish juda qiyin. Yarimo'tkazgichli lazerlar uchun optik nasosdan juda samarali foydalanish mumkin edi. Gap shundaki, yarim o'tkazgichlar kuchli yutilish zonasiga ega. Biroq, ilova ichida Ushbu holatda Elektr pompasi yanada qulayroq bo'lib chiqadi, chunki elektr toki yarimo'tkazgichdan juda oson o'tadi.

Boshqa nasos usuli kimyoviy hisoblanadi. Kimyoviy nasosning ikkita diqqatga sazovor turi mavjud: 1) qo'zg'atilgan tebranish holatida AB molekulasining hosil bo'lishiga olib keladigan assotsiativ reaktsiya va 2) B zarrachasini (atom yoki molekula) hosil bo'lishiga olib keladigan dissotsiativ reaktsiya. hayajonlangan holat.

Nasos olishning yana bir usuli gaz molekulasi berilgan molekulani o'z ichiga olgan gaz aralashmasining tovushdan tez kengayishi (gadodinamik nasos). Buni ham aytib o'tish kerak maxsus shakl optik nasos, lazer nuri boshqa lazerni pompalash uchun ishlatilganda (lazerli nasos). Yo'nalishli lazer nurlarining xususiyatlari, (noggerent) optik nasosda bo'lgani kabi, maxsus oqartirgichlarga ehtiyoj sezmasdan, boshqa lazerni pompalash uchun juda qulay qiladi. Nasos lazerining monoxromatik tabiati tufayli uni qo'llash qattiq holatdagi va suyuq lazerlar bilan cheklanmaydi, balki u gaz lazerlarini pompalash uchun ham ishlatilishi mumkin. Bunday holda, nasos lazerining chiqaradigan chizig'i pompalanadigan lazerning assimilyatsiya chizig'iga to'g'ri kelishi kerak. Bu, masalan, ko'pgina uzoq-IR lazerlarini pompalash uchun ishlatiladi.

Optik nasos bo'lsa, kuchli inkogerent chiroqning yorug'ligi tegishli optik tizim yordamida faol muhitga uzatiladi. Shaklda. 1-rasmda eng ko'p ishlatiladigan uchta nasos sxemasi ko'rsatilgan. Har uch holatda ham vosita silindrsimon novda shakliga ega. Shaklda ko'rsatilgan. 1a chiroq spiral shakliga ega; bu holda yorug'lik faol muhitga to'g'ridan-to'g'ri yoki ko'zgu silindrsimon sirtdan aks etgandan so'ng kiradi (1-rasm). Ushbu konfiguratsiya birinchi yoqut lazerini yaratish uchun ishlatilgan va ba'zida pulsli lazerlar uchun ishlatiladi. rasmda. 1b chiroq silindr shakliga ega (chiziqli chiroq), uning radiusi va uzunligi faol novda bilan taxminan bir xil. Chiroq ayna aks ettiruvchi elliptik silindrning (1) fokus o'qlaridan biri F1 bo'ylab joylashtirilgan va lazer tayog'i boshqa fokus o'qi F2 bo'ylab joylashgan. Katta qism Elliptik silindrdan ko'zgu tufayli chiroq chiqaradigan yorug'lik lazer tayoqchasiga kiradi. Shaklda. 1c-rasmda yaqin qadoqlangan konfiguratsiyaga misol keltirilgan. Lazer tayoqchasi va chiziqli chiroq bir-biriga iloji boricha yaqinroq joylashtirilgan va silindrsimon reflektor (1) bilan mahkam o'ralgan. Yaqin o'ralgan konfiguratsiyaning samaradorligi odatda elliptik silindrdan ancha past emas. Ko'pincha, aynali reflektorlar o'rniga, 1a va v-rasmdagi sxemalar diffuz aks ettiruvchi materiallardan tayyorlangan silindrlarni ishlatadi. Yoritgichlarning murakkab turlari ham qo'llaniladi, ularning dizayni bir nechta elliptik tsilindrni yoki zich o'ralgan konfiguratsiyadagi bir nechta lampalarni ishlatadi.

Uzluksiz to'lqinli lazerning nasos samaradorligini ma'lum bir nasos tezligini yaratish uchun zarur bo'lgan minimal nasos quvvati Pm ning haqiqatda chiroqqa berilgan elektr nasos quvvatiga P nisbati sifatida aniqlaylik. Minimal nasos quvvati quyidagicha yozilishi mumkin: , bu erda V - faol muhitning hajmi, vp - asosiy va yuqori lazer darajalari orasidagi chastotalar farqi. Nasos tezligining faol novda bo'ylab tarqalishi ko'p hollarda bir xil emas. Shuning uchun o'rtacha minimal nasos quvvatini aniqlash to'g'riroq bo'ladi, bu erda o'rtacha faol muhit hajmi bo'yicha amalga oshiriladi. Shunday qilib

Impulsli lazer uchun, analogiya bo'yicha, nasosning o'rtacha samaradorligi

bu erda nasos pulsining boshidan oxirigacha vaqt integrali olinadi va E - chiroqqa beriladigan elektr energiyasi.

Nasos jarayonini 4 xil bosqichdan iborat deb hisoblash mumkin: 1) chiroqdan nurlanishning chiqishi, 2) bu nurlanishning faol tayoqqa o'tishi, 3) uning sterjenga singishi va 4) yutilgan energiyaning yuqori lazer darajasi.

(1) yoki (!a) ifodalaridan siz nasos tezligini Wp topishingiz mumkin:

Elektr nasoslari gaz va yarim o'tkazgichli lazerlarda qo'llaniladi. Gaz lazerining elektr nasosi gaz aralashmasidan to'g'ridan-to'g'ri, yuqori chastotali (RF) yoki impulsli oqim o'tkazish orqali amalga oshiriladi. Umuman olganda, gaz orqali oqim lazer o'qi bo'ylab (uzunlamasına zaryadsizlanish, 2a-rasm) yoki uning bo'ylab (ko'ndalang oqim, 2b-rasm) oqishi mumkin. Uzunlamasına deşarj lazerlarida elektrodlar ko'pincha halqa shakliga ega va ionlar bilan to'qnashuv natijasida katod materialining degradatsiyasini kamaytirish uchun katodning sirt maydoni anodnikidan ancha kattaroq bo'ladi. Transvers deşarjli lazerlarda elektrodlar lazer muhitining butun uzunligi bo'ylab cho'ziladi. Lazer turiga qarab turli xil elektrod dizaynlari qo'llaniladi. Uzunlamasına deşarj sxemalari odatda uzluksiz to'lqinli lazerlar uchun ishlatiladi, ko'ndalang deşarj esa doimiy, impulsli va chastotali oqim bilan nasos uchun ishlatiladi. Lazerning ko'ndalang o'lchamlari odatda bo'ylama o'lchovlardan sezilarli darajada kichik bo'lgani uchun, xuddi shu gaz aralashmasida ko'ndalang konfiguratsiya holatida qo'llanilishi kerak bo'lgan kuchlanish uzunlamasına konfiguratsiya uchun kuchlanishdan sezilarli darajada past bo'ladi. Shu bilan birga, uzunlamasına oqim, dielektrik (masalan, shisha) trubkasida (2a-rasm) sodir bo'lganda, nasosning yanada bir xil va barqaror taqsimlanishini olish imkonini beradi.

Elektr zaryadsizlanishi ionlar va erkin elektronlarni hosil qiladi va ular qo'llaniladigan elektr maydonidan qo'shimcha energiya olishlari sababli ular to'qnashuvda neytral atomlarni qo'zg'atishi mumkin. Katta massasi tufayli musbat ionlar elektronlarga qaraganda ancha yomon tezlashadi va shuning uchun qo'zg'alish jarayonida muhim rol o'ynamaydi.

5.20. Optik rezonatorlar. Gauss yorug'lik nurlari.

Fabry-Perot interferometri kabi ochiq tuzilmalarda xarakterli tebranish rejimlari mavjud. Bugungi kunga qadar ochiq rezonatorlarning ko'plab modifikatsiyalari ma'lum bo'lib, ular bir-biridan nometall konfiguratsiyasi va o'zaro joylashishi bilan farq qiladi. Eng katta soddalik va qulaylik teng egrilikka ega bo'lgan ikkita sferik reflektor tomonidan tashkil etilgan rezonator bilan ajralib turadi, ularning konkav sirtlari bir-biriga qaragan va bir-biridan sharlarning radiusiga teng egrilik radiusi masofasida joylashgan. Sferik oynaning fokus uzunligi egrilik radiusining yarmiga teng. Shuning uchun reflektorlarning o'choqlari bir-biriga to'g'ri keladi, buning natijasida rezonator konfokal deb ataladi (1-rasm). Konfokal rezonatorga bo'lgan qiziqish uni sozlashning qulayligi bilan bog'liq bo'lib, bu reflektorlarning bir-biriga parallel bo'lishini talab qilmaydi. Faqatgina konfokal rezonatorning o'qi har bir reflektorni chetidan etarlicha uzoqda kesishishi kerak. Aks holda, diffraktsiya yo'qotishlari juda katta bo'lishi mumkin.

Keling, konfokal rezonatorni batafsil ko'rib chiqaylik.

Rezonatorning barcha o'lchamlari to'lqin uzunligiga nisbatan katta bo'lsin. Keyin rezonator rejimlari, undagi maydon taqsimoti va diffraktsiya yo'qotishlarini Gyuygens-Frennel printsipi asosida tegishli integral tenglamani yechish orqali olish mumkin. Agar konfokal rezonatorning reflektorlari 2a tomoni bilan kvadrat kesimga ega bo'lsa, bu ko'zgu orasidagi masofaga nisbatan kichik bo'ladi l, ularning egrilik radiusi R ga teng va Fresnel raqamlari katta bo'lsa, u holda integralning xos funktsiyalari. Foks va Li tipidagi tenglamalar Hn(x) germit koʻphadlarining Gauss funksiyasi boʻyicha koʻpaytmalari bilan yaqinlashtiriladi.

Kelib chiqishi rezonatorning markazida joylashgan va z o'qi rezonatorning o'qiga to'g'ri keladigan Dekart koordinata tizimida (1-rasm), ko'ndalang maydon taqsimoti ifoda bilan beriladi.

bu yerda rezonatordagi maydon intensivligi S2 ga mutanosib ravishda e koeffitsienti pasaygan kesma mintaqaning o'lchamini aniqlaydi. Boshqacha qilib aytganda, bu intensivlik taqsimotining kengligi.

Birinchi darajali germit polinomlari quyidagi shaklga ega:

(1) ko‘ndalang taqsimotni beruvchi tenglamaning xos funksiyalari shart bilan aniqlangan xos chastotalarga mos keladi.

Shaklda. 2-rasmda (2) ni hisobga olgan holda (1) formula bo'yicha tuzilgan ko'ndalang koordinatalardan biri uchun dastlabki uchta Hermit-Gauss funksiyasi grafik tarzda keltirilgan. Ushbu grafiklar ko'ndalang indeks n ortib borishi bilan ko'ndalang maydon taqsimotidagi o'zgarish xarakterini aniq ko'rsatadi.

Konfokal bo'shliqdagi rezonanslar faqat butun sonlar uchun sodir bo'ladi. Modlar spektri degenerativ bo'lib, m+n ni ikki birlikka oshirish va q ni bir birlikka kamaytirish bir xil chastota qiymatini beradi. Asosiy rejim TEM00q, ko‘ndalang maydon taqsimoti oddiy Gauss funksiyasi bilan aniqlanadi. Intensivlik taqsimotining kengligi qonunga muvofiq z o'qi bo'ylab o'zgaradi

bu yerda , va rezonatorning fokus tekisligidagi nur radiusi ma'nosiga ega. Qiymat rezonatorning uzunligi bilan belgilanadi va bo'ladi

Oyna yuzasida (4) va (5) dan ko'rinib turganidek, asosiy rejim nuqtasining maydoni kaustik bo'yinning kesishgan maydonidan ikki baravar katta.

Rezonator ichidagi maydon uchun eritma (1) olindi. Ammo ko'zgulardan biri qisman shaffof bo'lsa, faol lazer bo'shliqlarida bo'lgani kabi, chiquvchi to'lqin ko'ndalang taqsimotga ega bo'lgan sayohat to'lqinidir (1).

Aslida, faol konfokal bo'shliqning asosiy rejimini ajratish Gauss monoxromatik yorug'lik nurini ishlab chiqarish usulidir. Keling, ularni batafsil ko'rib chiqaylik.) burchak farqiga mos keladigan kenglik

Natijada, Gaussni ishga tushirish energiyasining asosiy qismi qattiq burchakda to'plangan

Shunday qilib, asosiy rejimda lazer nurlanishining divergensiyasi ko'ndalang emas, balki lazer bo'shlig'ining uzunlamasına kattaligi bilan belgilanadi.

Asosan, formula (8) Gauss triggerining o'z-o'zidan diffraktsiyasi natijasida hosil bo'lgan difraksiyalangan to'lqinni tavsiflaydi. (8) tomonidan tasvirlangan diffraktsiya naqshlari eksenel yo'nalishdan uzoqlashganda intensivlikning monotonik pasayishi bilan tavsiflanadi, ya'ni. diffraktsiya naqshining yorqinligida har qanday tebranishlarning to'liq yo'qligi, shuningdek, tarqatish qanotlarida to'lqin intensivligining tez pasayishi. Gauss nurining har qanday diafragmadagi diffraktsiyasi, agar uning o'lchami nur intensivligi taqsimotining kengligidan etarlicha oshib ketgan bo'lsa, bu xususiyatga ega.