Аяндаа болон өдөөгдсөн ялгаралт. Өдөөгдсөн ба аяндаа шилжих шилжилтүүд. Аяндаа болон өдөөгдсөн мутаци

Өдөөгдсөн систем (атом, молекул) энергийн дээд түвшнээс доод түвшинд шилжих нь аяндаа эсвэл өдөөгдсөн байж болно.

Аяндаа гэдэг нь зөвхөн системд нөлөөлж буй хүчин зүйлс, түүний шинж чанараас үүдэлтэй аяндаа (бие даасан) шилжилт юм. Эдгээр хүчин зүйлүүд нь систем өдөөгдөх төлөвт байх дундаж хугацааг тодорхойлдог; Гейзенбергийн харьцааны дагуу (§ 11-ийг үзнэ үү),

Онолын хувьд энэ хугацаа нь өөр өөр утгатай байж болно:

өөрөөр хэлбэл, энэ нь системийн шинж чанараас хамаардаг - өдөөгдсөн төлөвийн энергийн утгын тархалт (сэтгэл хөдөлсөн төлөвт зарцуулсан хугацааны дундаж утгыг ихэвчлэн дундаж утгаас хамааран системийн шинж чанар болгон авдаг. Нэг. Мөн цахилгаан соронзон долгион байхгүй байсан ч гэсэн хүрээлэн буй орон зайн системд үзүүлэх нөлөөг харгалзан үзэх ёстой ("физик вакуум"). квант онол, хэлбэлзэлтэй талбар (“вакуум хэлбэлзэл”); Энэ талбар нь сэрсэн тогтолцооны доод түвшинд шилжих шилжилтийг өдөөж болох бөгөөд аяндаа шилжилтийг үүсгэдэг салшгүй хүчин зүйлсийн нэг байх ёстой.

Өдөөгдсөн гэдэг нь өдөөгдсөн системд гадны нөлөөллөөс үүдэлтэй эрчим хүчний доод төлөв рүү албадан (өдөөх) шилжилт юм: дулааны мөргөлдөөн, хөрш зэргэлдээ хэсгүүдтэй харилцан үйлчлэлцэх эсвэл системээр дамжин өнгөрөх цахилгаан соронзон долгион. Гэсэн хэдий ч уран зохиолд илүү нарийвчилсан тодорхойлолтыг бий болгосон: өдөөгдсөн гэдэг нь зөвхөн цахилгаан соронзон долгионоор үүсгэгдсэн шилжилт бөгөөд энэ шилжилтийн үед системээс ялгардаг ижил давтамжтай шилжилт юм (бусад давтамжийн талбарууд нь цахилгаан соронзон долгионы байгалийн хэлбэлзэлтэй цуурайтахгүй. систем,

тиймээс тэдний өдөөгч нөлөө сул байх болно). "Тээвэрлэгч"-ээс хойш цахилгаан соронзон оронЭнэ нь фотон бол энэ тодорхойлолтоос харахад өдөөгдсөн цацраг туяагаар гадны фотон нь ижил давтамжтай (энерги) шинэ фотон үүсэхийг өдөөдөг.

Энгийн нэг жишээг ашиглан аяндаа болон өдөөгдсөн шилжилтийн хамгийн чухал шинж чанаруудыг авч үзье. Толин тусгал ханатай V эзлэхүүнд ижил системүүд (атом, молекулууд) байдаг бөгөөд тэдгээрийн зарим нь эхний тогтмол агшинд энэ эзэлхүүн дэх нийт илүүдэл энерги нь өдөөгдсөн төлөвт шилждэг гэж үзье. -тэй тэнцүү байх нь аяндаа шилжих шилжилтийн хувьд дараах шинж чанартай байдаг.

1) өдөөгдсөн системийг хэвийн төлөвт шилжүүлэх үйл явц (өөрөөр хэлбэл илүүдэл энергийн цацраг нь цаг хугацааны явцад нэмэгддэг. Зарим систем нь өдөөгдсөн төлөвт богино хугацаанд үлддэг; бусад хүмүүсийн хувьд энэ хугацаа илүү урт байдаг. Тиймээс урсгал ( Цацрагийн хүч) цаг хугацааны явцад өөрчлөгдөж, хэсэг хугацааны дараа хамгийн ихдээ хүрч, дараа нь асимптотоор тэг болж буурна цацрагийн урсгалын дундаж утга тэнцүү байна.

2) нэг системийн цацраг идэвхжиж эхлэх цаг хугацааны мөч ба энэ системийн байршил нь цацрагийн момент ба нөгөөгийн байршилтай огт хамааралгүй, өөрөөр хэлбэл ялгаруулах системүүдийн хооронд "тууштай байдал" (корреляци) байхгүй байна. орон зайд эсвэл цаг хугацааны хувьд. Аяндаа шилжих шилжилт нь бүрэн санамсаргүй үйл явц бөгөөд цаг хугацааны хувьд тархсан, орчны эзэлхүүн болон бүх боломжит чиглэлд; Төрөл бүрийн системүүдийн туйлшрал ба цахилгаан соронзон цацрагийн хавтгай нь магадлалын тархалттай байдаг тул ялгаруулагчид нь когерент долгионы эх үүсвэр биш юм.

Өдөөгдсөн шилжилтийг тодорхойлохын тулд яг тэнцүү энергитэй нэг фотоныг авч үзэж буй V эзлэхүүнд агшин зуур оруулсан гэж үзье цочромтгой систем; Энэ магадлалыг доороос илүү ерөнхий тохиолдолд (харгалзан үзэж буй системүүдийн фотоны хийтэй харилцан үйлчлэл V эзлэхүүнд үүсэх үед) харгалзан үзнэ. Фотоныг шингээдэггүй, хөлөг онгоцны хананд дахин дахин тусч, өдөөгдсөн системтэй мөргөлдөх үед ижил фотонуудын ялгаралтыг өдөөдөг, өөрөөр хэлбэл өдөөгдсөн шилжилтийг үүсгэдэг гэж бид таамаглах болно. Гэсэн хэдий ч эдгээр шилжилтийн үед гарч ирэх шинэ фотон бүр нь өдөөгдсөн шилжилтийг өдөөх болно. Фотонуудын хурд өндөр, V эзэлхүүний хэмжээ бага байдаг тул эхний мөчид байгаа бүх өдөөгдсөн систем хэвийн төлөвт шилжихэд маш богино хугацаа шаардагдана. Иймээс өдөөгдсөн шилжилтийн шинж чанар нь дараах байдалтай байна.

1) илүүдэл энерги ялгаруулахад шаардагдах хугацааг тохируулж, маш бага болгох боломжтой тул цацрагийн урсгал нь маш их байж болно;

2) үүнээс гадна шилжилтийг үүсгэсэн фотон ба энэ шилжилтийн үед гарч ирсэн ижил энерги (давтамж) фотон нь ижил фазтай, ижил туйлшрал, хөдөлгөөний чиглэлтэй байна. Тиймээс, цахилгаан соронзон долгион, өдөөгдсөн ялгаралтын үед үүссэн, уялдаатай байна.

Гэсэн хэдий ч фотоныг өдөөгдсөн системтэй мөргөлдөх бүр нь түүнийг хэвийн төлөвт шилжүүлэхэд хүргэдэггүй, өөрөөр хэлбэл фотон системтэй "харьцах үйлдэл" бүрт өдөөгдсөн шилжилтийн магадлал нэгтэй тэнцүү биш юм. Энэ магадлалыг дотор гэж үзье одоогоор V эзлэхүүн дэх цаг хугацаа фотонууд байдаг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь дунджаар нэгж хугацаанд мөргөлдөх боломжтой. Дараа нь нэгж хугацаанд өдөөгдсөн шилжилтийн тоо, улмаар V эзлэхүүн дэх фотонуудын тоо тэнцүү байх болно.

V эзлэхүүн дэх өдөөгдсөн системийн тоог тэмдэглэе. Фотонуудын өдөөгдсөн системтэй мөргөлдөх тоо нь эдгээр системийн концентрацтай пропорциональ байх болно, өөрөөр хэлбэл дараахь зүйлээс хамаарч үүнийг илэрхийлж болно.

Энд Шинд фотонуудын тоо болон өдөөгдсөн системийн тооноос бусад бүх хүчин зүйлийг харгалзан үздэг

V эзэлхүүн дэх фотонуудын тоо нэмэгдэх нь аяндаа ялгардагтай холбоотой юм. Аяндаа шилжих магадлал нь өдөөгдсөн төлөвт зарцуулсан дундаж хугацааны эсрэг байдаг Тиймээс аяндаа шилжилтийн улмаас нэгж хугацаанд гарч ирэх фотонуудын тоо тэнцүү байх болно

V эзэлхүүн дэх фотонуудын тоо буурах нь өдөөгдөөгүй системд шингэсэний үр дүнд үүснэ (энэ тохиолдолд өдөөгдсөн системийн тоо нэмэгдэх болно). Фотоны системтэй "харьцах үйлдэл" бүр шингээлт дагалддаггүй тул шингээлтийн магадлалыг өдөөгддөггүй системтэй нэг фотоны нэг цаг тутамд мөргөлдөх тоо нь ийм системийн тоотой пропорциональ байх ёстой; Иймээс (2.83)-тай зүйрлэснээр фотонуудын алдагдлыг бид дараах байдлаар бичиж болно.

Фотоныг ялгаруулах, шингээх үйл явцын эрчмийг, өөрөөр хэлбэл системүүдийн дээд түвшнээс доод түвшинд шилжих болон эсрэгээр шилжих үйл явцын хоорондох ялгааг олцгооё.

Үнэлгээнээс хамааран авч үзэж буй эзлэхүүнд дараах өөрчлөлтүүд гарч болно;

1) хэрэв энэ эзэлхүүн дэх фотоны хийн нягтрал аажмаар буурах, өөрөөр хэлбэл цацрагийн энерги шингээх болно. Шаардлагатай нөхцөлэнэ зорилгоор өдөөгдсөн системүүдийн бага концентраци нь: Lvozb

2) хэрэв өдөөгдсөн систем ба цацрагийн энергийн нягтын тодорхой концентрацитай системд тэнцвэрийн төлөв бий болсон бол;

3) хэрэв (энэ нь том утгын хувьд боломжтой) бол авч үзэж буй эзэлхүүнд фотоны хийн нягтрал (цацрагийн энерги) нэмэгдэх болно.

Цацрагийн энерги буурах эсвэл нэмэгдэх нь зөвхөн цацруулагч хана бүхий тусгаарлагдсан эзэлхүүнд төдийгүй монохромат цацрагийн энергийн урсгал (давтамжтай фотонуудын урсгал нь өдөөгдсөн орчинд тархах) тохиолдолд явагдах нь ойлгомжтой. илүүдэл энергитэй хэсгүүд

Нэг фотон болон системд ногдох фотоны тооны харьцангуй өөрчлөлтийг олцгооё; (2.86), (2.83), (2.84) ба (2.85) -ийг ашиглан бид олж авна.

Тэнцвэрийн төлөвт (энэ нь § 12-т өгөгдсөн томъёоны (2.42) дагуу зөвхөн эерэг температурт боломжтой) харьцаа нь тэнцүү байна гэдгийг анхаарна уу.

Энэ тохиолдолд хуваагч дахь статистик нийлбэр нь зөвхөн хоёр гишүүнээс бүрдэнэ: 1) энергитэй хэвийн төлөвт байгаа системүүд ба 2) энергитэй өдөөгдсөн системүүд Энэ нь хязгааргүй их эерэг температурт гэсэн үг юм Температурыг нэмэгдүүлснээр өдөөгдсөн системийн тоо ямар байдалд хүрэх боломжгүй юм илүү тоосэтгэл хөдлөлгүй. Mneexc-ээс их байсан, өөрөөр хэлбэл доод түвшинд шилжих үед гарч ирэх фотоны тоо нь тухайн үед шингэсэн фотоны тооноос их байх шаардлагатай). Температурыг нэмэгдүүлснээр ийм байдалд хүрэх боломжгүй гэдгийг дээр хэлсэн. Тиймээс түүгээр дамжин өнгөрөх цацрагийн урсгалыг нэмэгдүүлэх чадвартай орчинг олж авахын тулд атом, молекулыг өдөөх бусад (температурын бус) аргыг ашиглах шаардлагатай.

Зөвхөн сөрөг температурт, өөрөөр хэлбэл авч үзэж буй орчны тэнцвэрт бус төлөвт илүү их (өөрөөр хэлбэл N) байж болохыг харуулж болно. Нэмж дурдахад энэхүү тэнцвэргүй байдал нь метаставтай бол (II хэсэг, § 3-ыг үзнэ үү) тохиромжтой гадны нөлөөллийн тусламжтайгаар маш богино хугацаанд илүүдэл энергийг ялгаруулах замаар тэнцвэрт байдалд огцом шилжих боломжтой. Энэ санаа нь лазерын үйл ажиллагааны үндэс суурь юм.

Дээд талд байгаа орчны төлөв байдал эрчим хүчний түвшинурвуу гэж нэрлэгддэг доод хүчин зүйлүүдтэй харьцуулахад илүү том дүүргэх хүчин зүйлүүдтэй. Энэ төлөвт орчин нь ердийнх шиг сулрахгүй, харин түүгээр дамжин өнгөрөх цацрагийг сайжруулдаг тул орчин дахь цацрагийн урсгалын эрчмийг өөрчлөх томъёонд.

коэффициент нь сөрөг утгатай байх болно (тиймээс экспонент нь эерэг утгатай байх болно). Үүнийг харгалзан урвуу төлөвт байгаа орчинг сөрөг шингээлтийн индекстэй орчин гэж нэрлэдэг. Ийм зөөвөрлөгчийг олж авах боломж, тэдгээрийн шинж чанар, оптик цацрагийг өсгөхөд ашиглах боломжийг В.А. Фабрикант ба түүний хамтрагчид (1939-1951) тогтоож, боловсруулсан.

Цэнэг зөөгчийг үүсгэх, дахин нэгтгэх үйл явц нь хоорондоо салшгүй холбоотой боловч агуулгын хувьд эсрэгээрээ байдаг. Рекомбинацын үед энерги нь фотон хэлбэрээр ялгарч болно (цацрагт рекомбинаци),эсвэл фонон хэлбэрээр (цацрагийн бус рекомбинация).

IN сүүлийн жилүүдэдЦахилгаан дохиог гэрэл болгон хувиргадаг хэд хэдэн төрлийн төхөөрөмжийг бүтээжээ. Тэдний үйл ажиллагааны зарчим нь рекомбинацын цацраг гэж нэрлэгддэг цацраг дээр суурилдаг - электрон нүхний хосуудын шууд рекомбинацын үйл ажиллагааны явцад гэрлийн квантуудын ялгаралт.

Хүчтэй рекомбинацын хувьд нэгэн зэрэг дамжуулах зурваст электрон нягтрал, валентын зурвас дахь чөлөөт түвшний (нүх) өндөр нягтралтай байх шаардлагатай.

Ийм нөхцөлийг хэзээ бүрдүүлдэг өндөр түвшинхүлээн авагчийн өндөр концентраци бүхий нүхний хагас дамжуулагч руу электрон шахах.

Энэ нь ойлгомжтой Шууд шилжилтэд тохирсон цацрагийн рекомбинацийг бий болгохын тулд хагас дамжуулагч нь тохирох зурвасын бүтэцтэй байх шаардлагатай. валентын зурвас ба дамжуулалтын зурвасын экстремум нь долгионы векторын ижил утгатай тохирч байх ёстой .

Одоогийн байдлаар A III B V, A II B VI төрлийн хагас дамжуулагч нэгдлүүд, түүнчлэн бусад хоёртын (SiC) болон гуравдагч систем (GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe гэх мэт) судлагдсан бөгөөд тэдгээрт p-n - урагш чиглэлд асаалттай үед гэрлийн чичиргээ үүсгэдэг шилжилтүүд. Ийм хагас дамжуулагч гэрлийн эх үүсвэрүүд нь хэд хэдэн хэрэглээнд, жишээлбэл, заагч төхөөрөмжид маш тохиромжтой байж болно.

Хагас дамжуулагчийг тодорхой хольцтой допинг хийснээр хольцын зурвасын ачаар рекомбинацын энерги, улмаар ялгарах гэрлийн долгионы уртыг өөрчлөх боломжтой. Тиймээс GaP дээрх p-n уулзварууд нь 5650 ба 7000 Å гэсэн хоёр хамгийн их ялгаруулалтыг өгдөг. GaAsP дээрх P-n уулзварууд нь 6000-аас 7000 Å хүртэлх гэрэлтүүлгийг өгдөг. 5600-6300 Å долгионы урттай гэрлийг цахиурын карбидаар хийсэн уулзвараас авч болно. Цацрагийн рекомбинацын горимд ажиллах нь 0.5-1.5% -ийн квантын гарцтай харьцангуй өндөр гүйдлийн нягтралд (нэг квадрат сантиметр тутамд хэдэн зуун ампер) явагддаг.

500-аас дээш гүйдлийн нягтралтай үед а/см 2мөн хэдэн мянгад хүрдэг а/см 2,чанарын хувьд шинэ үзэгдэл гарч ирдэг -

Уулзвар дахь гадаад хүчдэл нь контактын потенциалын зөрүүд ойртож байгаа үед (энэ нь маш их тохирч байна өндөр нягтралтайодоогийн), энэ нь иймэрхүү тохиолддог дуудсан популяцийн инверси . Дамжуулах зурвас дахь электрон эзэлдэг түвшний нягт нь валентын зурвасын дээд хэсэгт байрлах электронуудын эзэлдэг түвшний нягтаас өндөр болдог.

Популяцийн инверси үүсэх одоогийн нягтын утгыг нэрлэдэг босго гүйдэл.

Босго хэмжээнээс доогуур гүйдлийн үед санамсаргүй дахин нэгтгэх үйлдлүүд явагдана, i.e. гэж нэрлэгддэг аяндаа ялгарах.

Босгооос дээш гүйдлийн үед хагас дамжуулагчаар дамжин өнгөрөх гэрлийн квант үүсдэг өдөөгдсөн ялгаруулалт -хэд хэдэн цэнэг зөөгчийг нэгэн зэрэг дахин нэгтгэх. Энэ тохиолдолд олшруулалт эсвэл үүсэлт үүсдэг уялдаатайгэрлийн чичиргээ, өөрөөр хэлбэл ижил үе шаттай чичиргээ.

Тиймээс одоогийн нягтрал нь босго утгаас давсан үед зарим төрлийн хагас дамжуулагч p-n уулзвар нь эх үүсвэр байж болно. лазерцацраг. Хагас дамжуулагч лазерын давуу тал нь оптик шахах шаардлагагүй юм. Энд оптик шахуургын үүргийг хүн амын урвуу байдлыг бий болгодог тарилгын гүйдэл гүйцэтгэдэг. Хагас дамжуулагч лазерууд нь 50% -иас дээш үр ашигтай байдаг бөгөөд тасралтгүй горимд ашиглах үед бусад төрлийн лазеруудтай харьцуулахад онцгой давуу талтай байдаг.

Лазер p-n уулзварын хамгийн түгээмэл материал бол галлиум арсенид юм. Галийн арсенид дээрх p-n уулзваруудыг тасралтгүй горимд ашигласнаар шингэн азотын температурт 8400 Å долгионы урттай бараг монохроматик цацрагийн ваттын нэгжийг авах боломжтой. Өрөөний температурт долгионы урт 9000 Å хүртэл нэмэгддэг.

Хагас дамжуулагч дахь урвуу популяци нь зөвхөн тарилга төдийгүй бусад аргуудаар, жишээлбэл, электрон цацраг ашиглан электронуудыг өдөөх замаар үүсгэж болно.

Цагаан будаа. 1. a - аяндаа фотоны ялгаралт; б - өдөөгдсөн ялгаралт; c - резонансын шингээлт; E1 ба E2 нь атомын энергийн түвшин юм.

Өдөөгдсөн төлөвт байгаа атом А, тодорхой хугацааны дараа аяндаа, ямар ч гадны нөлөөгүйгээр бага энергитэй төлөвт (манай тохиолдолд гол төлөв рүү) орж, цахилгаан соронзон цацраг хэлбэрээр илүүдэл энерги ялгаруулж (фотоныг ялгаруулах) боломжтой. эрчим хүч h = Э 2 -Э 1). Гадны нөлөөлөлгүйгээр өдөөгдсөн атом (сэтгэл хөдөлсөн микросистем) фотон ялгаруулах үйл явцыг гэнэ. аяндаа(эсвэл аяндаа) цацраг. Аяндаа шилжих магадлал их байх тусам өдөөгдсөн төлөвт атомын дундаж наслалт богиносдог. Аяндаа шилжих шилжилт нь харилцан хамааралгүй тул аяндаа ялгарах ялгаралт нь уялдаа холбоогүй байдаг.

1916 онд А.Эйнштейн матери болон түүний ялгаруулж, шингээж буй цацрагийн хооронд туршилтаар ажиглагдсан термодинамик тэнцвэрт байдлыг тайлбарлахын тулд шингээлт ба аяндаа ялгарахаас гадна чанарын хувьд өөр өөр төрлийн харилцан үйлчлэл байх ёстой гэж үзжээ. Хэрэв өдөөгдсөн төлөвт байгаа атом дээр 2 , гадаад цацраг нь нөхцөлийг хангасан давтамжтайгаар үйлчилдэг hv= Э 2 – Э 1 , дараа нь үүсдэг албадан (өдөөгдөх) шилжилтүндсэн төлөв рүү 1 ижил энергитэй фотон ялгаруулалттай hv= Э 2 – Э 1 (Зураг 309, в). Ийм шилжилтийн үед атомаас цацраг туяа үүсдэг фотон, нэмэлтнөлөөн дор шилжилт болсон фотонд. Ийм шилжилтийн үр дүнд үүссэн цацрагийг нэрлэдэг албадан (өдөрлөгдсөн) цацраг.Ийнхүү өдөөгдсөн ялгаруулалтын үйл явцад хоёр фотон оролцдог: өдөөгдсөн атомаас цацраг ялгаруулахад хүргэдэг анхдагч фотон ба атомаас ялгардаг хоёрдогч фотон. Хоёрдогч фотонууд нь чухал юм ялгахын аргагүйанхдагчаас, оршихуй тэдгээрийн яг хуулбар.

7 Лазерын ажиллах зарчим

Лазернасосны энергийг (гэрэл, цахилгаан, дулааны, химийн г.м.) уялдаа холбоотой, нэг өнгийн, туйлширсан, өндөр зорилтот цацрагийн урсгалын энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж.

Лазерын үйл ажиллагааны физик үндэс нь албадан (өдөөгдөх) цацрагийн квант механик үзэгдэл юм. Лазер туяа нь тасралтгүй, тогтмол далайцтай, эсвэл импульстэй байж, маш өндөр оргилд хүрдэг. Зарим схемд лазерын ажлын элементийг өөр эх үүсвэрээс цацрагийн оптик өсгөгч болгон ашигладаг. Бодисын бүх агрегат төлөвийг ажлын орчин болгон ашигладаг маш олон төрлийн лазерууд байдаг.

Лазерын үйл ажиллагааны физик үндэс нь албадан (өдөөгдөх) цацрагийн үзэгдэл юм. Үзэгдлийн мөн чанар нь өдөөгдсөн атом нь өөр фотоны нөлөөн дор фотоныг шингээхгүйгээр ялгаруулах чадвартай байдаг, хэрэв түүний энерги нь атомын өмнөх ба дараах түвшний энергийн зөрүүтэй тэнцүү бол. цацраг. Энэ тохиолдолд ялгарсан фотон нь цацрагийг үүсгэсэн фотонтой нийцдэг (энэ нь түүний "яг хуулбар" юм). Ийм байдлаар гэрлийг нэмэгдүүлнэ. Энэ үзэгдэл нь ялгарсан фотонуудын тархалт, туйлшрал, фазын санамсаргүй чиглэлтэй байдаг аяндаа ялгарах ялгаралаас ялгаатай. өдөөгдөөгүй төлөвт байгаа атом. Тиймээс гэрлийг нэмэгдүүлэхийн тулд орчинд өдөөгддөггүй атомуудаас илүү их өдөөгдсөн атомууд байх шаардлагатай (популяцийн урвуу гэж нэрлэдэг). Термодинамикийн тэнцвэрт байдалд энэ нөхцөл хангагдаагүй тул тэдгээрийг ашигладаг янз бүрийн системүүдлазерын идэвхтэй орчинг шахах ( оптик, цахилгаан, химийнгэх мэт).

Үүсгэх үндсэн эх үүсвэр нь аяндаа ялгарах үйл явц тул фотонуудын үе залгамжлалыг хангахын тулд эерэг санал хүсэлт байх шаардлагатай бөгөөд үүний улмаас ялгарсан фотонууд нь дараагийн индукцийн ялгаралтыг үүсгэдэг. Үүнийг хийхийн тулд лазерын идэвхтэй орчинг оптик хөндийд байрлуулна. Хамгийн энгийн тохиолдолд энэ нь хоёр толин тусгалаас бүрддэг бөгөөд тэдгээрийн нэг нь тунгалаг байдаг - түүгээр лазер туяа нь резонатороос хэсэгчлэн гардаг. Толин тусгалаас харахад цацраг туяа нь резонатороор олон удаа дамжиж, дотор нь өдөөгдсөн шилжилтийг үүсгэдэг. Цацраг нь тасралтгүй эсвэл импульс байж болно. Үүний зэрэгцээ янз бүрийн төхөөрөмжийг ашиглан (эргэдэг призмүүд, Керр эсүүдгэх мэт) санал хүсэлтийг хурдан унтрааж, асааж, улмаар импульсийн хугацааг багасгахын тулд маш өндөр чадлын цацраг үүсгэх нөхцлийг бүрдүүлэх боломжтой (гэж нэрлэдэг). аварга импульс). Лазерын энэ горимыг модуляцлагдсан горим гэж нэрлэдэг. чанарын хүчин зүйл.

Лазераас үүссэн цацраг нь монохромат (нэг эсвэл салангид багц юм долгионы урт), тодорхой долгионы урттай фотон ялгарах магадлал нь ойр байрлахаас их байдаг тул спектрийн шугамын тэлэлттэй холбоотой бөгөөд үүний дагуу энэ давтамж дахь өдөөгдсөн шилжилтийн магадлал хамгийн их байдаг. Иймээс үүсэх процессын явцад аажмаар өгөгдсөн долгионы урттай фотонууд бусад бүх фотонуудаас давамгайлах болно. Нэмж дурдахад, толин тусгалуудын тусгай зохион байгуулалтаас шалтгаалан зөвхөн резонаторын оптик тэнхлэгтэй параллель чиглэлд тархдаг фотонууд нь лазер туяанд үлддэг. Тиймээс лазер туяа нь маш бага ялгаатай өнцөгтэй байдаг ] . Эцэст нь лазер туяа нь хатуу тодорхойлогдсон туйлшралтай байдаг. Үүнийг хийхийн тулд янз бүрийн полароидуудыг резонаторт оруулдаг, жишээлбэл, тэдгээр нь лазер туяа тархах чиглэлд Брюстерийн өнцгөөр суурилуулсан хавтгай шилэн хавтан болж чаддаг.

Атомоор фотоныг ялгаруулах, шингээх квант процессыг тодорхойлъё. Фотоныг зөвхөн өдөөгдсөн атомууд л гаргадаг. Фотоныг ялгаруулах үед атом энерги алддаг бөгөөд энэ алдагдлын хэмжээ нь фотоны давтамжтай (3.12.7) хамааралтай байдаг. Хэрэв атом ямар нэг шалтгаанаар (жишээлбэл, өөр атомтай мөргөлдсөний улмаас) өдөөгдсөн төлөвт орвол энэ төлөв тогтворгүй болно. Тиймээс атом нь фотон ялгаруулж бага энергийн төлөв рүү буцдаг. Энэ төрлийн цацрагийг нэрлэдэг аяндааэсвэл аяндаа.Тиймээс аяндаа ялгарах ялгаралт нь гадны нөлөөгүйгээр явагддаг бөгөөд зөвхөн өдөөгдсөн төлөв байдлын тогтворгүй байдлаас үүсдэг. Өөр өөр атомууд бие биенээсээ хамааралгүйгээр аяндаа ялгардаг бөгөөд хамгийн их тархдаг фотонуудыг үүсгэдэг. өөр өөр чиглэлүүд. Үүнээс гадна атом өөр өөр төлөвт өдөөгдөж болох тул өөр өөр давтамжийн фотоныг ялгаруулдаг. Тиймээс эдгээр фотонууд хоорондоо уялдаа холбоогүй байдаг.

Хэрэв атомууд гэрлийн талбарт байгаа бол сүүлийнх нь хоёуланд нь шилжилт үүсгэж болно доод түвшинфотоны шингээлт дагалддаг ба эсрэгээр фотоны ялгаралтаар хамгийн дээд хэмжээнд хүрдэг. Атомд гадны цахилгаан соронзон долгионы нөлөөллөөс үүсэх цацраг резонансын давтамж, тэгш байдал (3.12.7) биелэхийг нэрлэдэг өдөөгдсөнэсвэл албадан.Аяндаа ялгарах ялгаралтаас ялгаатай нь өдөөгдсөн ялгаралт бүрт хоёр фотон оролцдог. Тэдний нэг нь гадны эх үүсвэрээс тархаж атомд нөлөөлдөг бол нөгөө нь энэ нөлөөллийн үр дүнд атомаас ялгардаг. Онцлог шинж чанарӨдөөгдсөн ялгаруулалт гэдэг нь ялгарсан фотоны төлөвийн гадаад төлөвтэй яг давхцах явдал юм. Хоёр фотон хоёулаа ижил долгионы вектор ба туйлшралтай бөгөөд хоёр фотон нь ижил давтамж, фазтай байдаг. Энэ нь өдөөгдсөн цацрагийн фотонууд нь энэхүү ялгаралтыг үүсгэсэн фотонуудтай үргэлж уялдаатай байдаг гэсэн үг юм. Гэрлийн талбар дахь атомууд мөн фотоныг шингээж, атомуудыг өдөөхөд хүргэдэг. Фотонуудын атомын резонансын шингээлт нь зөвхөн гадны цацрагийн талбарт тохиолддог өдөөгдсөн процесс юм. Шингээх үйлдэл бүрт нэг фотон алга болж, атом илүү их энергитэй төлөвт шилждэг.

Атомуудын цацраг туяа, ялгаруулалт эсвэл фотон шингээлттэй харилцан үйлчлэх явцад аль процесс давамгайлах нь их эсвэл бага энергитэй атомын тооноос хамаарна.

Эйнштейн аяндаа болон өдөөгдсөн ялгаруулалтын үйл явцыг дүрслэх магадлалын аргыг ашигласан. Термодинамикийн үзэл баримтлалд үндэслэн тэрээр цацраг туяа дагалддаг албадан шилжилтийн магадлал нь гэрлийн шингээлт дагалддаг албадан шилжилтийн магадлалтай тэнцүү байх ёстойг нотолсон. Тиймээс албадан шилжилт нь нэг эсвэл өөр чиглэлд ижил магадлалтай байж болно.

Одоо гэрлийн талбар дахь олон ижил атомуудыг авч үзье, бид изотроп ба туйлшралгүй гэж үзэх болно. (Дараа нь доор танилцуулсан коэффициентүүдийн цацрагийн туйлшрал ба чиглэлээс хамаарах эсэх асуудал арилна.) ба энергитэй төлөвт байгаа атомын тоог ба гэж үзье, мөн эдгээр төлөвийг зөвшөөрөгдөх төлөвийн аль ч мужаас авч болно, гэхдээ . ба ихэвчлэн гэж нэрлэдэг эрчим хүчний түвшний хүн ам.Нэгж хугацаанд атомын төлөвөөс төлөвт шилжих тоо аяндаа ялгарахмуж дахь атомын тоотой пропорциональ байна:

. (3.16.1)

Өдөөгдсөн ялгаруулалтын үед ижил төлөв хоорондын атомын шилжилтийн тоо нь популяцитай пропорциональ байх болно. p -түвшин, гэхдээ атомууд байрладаг талбарт цацрагийн спектрийн энергийн нягт:

-аас шилжилтийн тоо Т -хөөе p -цацрагтай харилцан үйлчлэлийн улмаас түвшин

. (3.16.3)

Хэмжигдэхүүнүүдийг Эйнштейний коэффициент гэж нэрлэдэг.

Нэгж хугацаанд төлөвөөс шилжиж буй атомын тоогоор бодис ба цацрагийн хоорондын тэнцвэрт байдал бий болно. nмужид Тэсрэг чиглэлд шилжилт хийж буй атомын тоотой тэнцүү байна:

Өмнө дурьдсанчлан, нэг болон нөгөө чиглэлд албадан шилжих магадлал ижил байна. Тийм ч учраас .

Дараа нь (3.16.4) -ээс бид цацрагийн энергийн нягтыг олж болно

. (3.16.5)

Өөр өөр энергитэй төлөвт атомуудын тэнцвэрт хуваарилалтыг Больцманы хуулиар тодорхойлно.

Дараа нь (3.16.5) -аас бид олж авна

, (3.16.6)

Энэ нь Планкийн томьёотой (3.10.23) сайн тохирч байна. Энэхүү гэрээ нь өдөөгдсөн ялгаруулалт байгаа гэсэн дүгнэлтэд хүргэдэг.

Лазер.

20-р зууны 50-аад онд өдөөгдсөн цацрагийн улмаас цахилгаан соронзон долгионууд дамжин өнгөрөх төхөөрөмж бий болсон. Эхлээд сантиметр долгионы уртад ажилладаг генераторуудыг бүтээсэн бөгөөд хэсэг хугацааны дараа оптик мужид ажилладаг ижил төстэй төхөөрөмжийг бүтээжээ. Энэ нь анхны үсгийнхээ нэрээр нэрлэгдсэн Англи нэрЦацрагийн өдөөгдсөн ялгаруулалтаар гэрлийн олшруулалт (өдөөлттэй цацрагийг ашиглан гэрлийг өсгөх) – лазер.Лазер гэж бас нэрлэдэг оптик квант генераторууд.

Бодис дамжих явцад цацрагийн эрчмийг нэмэгдүүлэхийн тулд фотоныг ялгаруулах, шингээх үед шилжилт хийдэг атомын хос төлөв бүрийн хувьд зайлшгүй шаардлагатай. эрчим хүч ихтэй муж улсын хүн ам бага эрчим хүчтэй муж улсын хүн амаас их байсан.Энэ нь дулааны тэнцвэрт байдлыг алдагдуулах ёстой гэсэн үг юм. Тэд атомын төлөв байдал нь илүү их байдаг бодис гэж хэлдэг өндөр энергиэрчим хүч багатай мужаас илүү хүн амтай популяцийн инверси.

Хоёр атомын төлөвийн популяцийн урвуу өөрчлөлт бүхий бодисоор дамжин өнгөрөхөд цацраг нь фотоноор баяжуулж, эдгээр атомын төлөвүүдийн хооронд шилжилт үүсгэдэг. Үүний үр дүнд цацрагийн уялдаа холбоо бүхий олшруулалт нь тодорхой давтамжтайгаар үүсдэг бөгөөд энэ нь популяцийн урвуу байдал бүхий мужуудын хооронд атомын шилжилтийн үед фотонуудын өдөөгдсөн ялгаруулалт нь тэдний шингээлтээс давамгайлах үед тохиолддог. Популяцийн инверситэй бодисыг идэвхтэй орчин гэж нэрлэдэг.

Хүн амын урвуу байдал бий болгохын тулд тэнцвэрт хуваарилалтыг сэргээх үйл явцыг даван туулахад эрчим хүч зарцуулах шаардлагатай. Энэ бодист үзүүлэх нөлөөлөл гэж нэрлэгддэг шахагдсан.Ус шахах энерги нь үргэлж ирдэг гадаад эх үүсвэридэвхтэй орчинд.

Байдаг янз бүрийн арга замуудшахах. Лазер дахь түвшний популяцийн урвуу байдлыг бий болгохын тулд гурван түвшний аргыг ихэвчлэн ашигладаг. Энэ аргын мөн чанарыг бадмаараг лазерын жишээн дээр авч үзье.

Рубин бол хөнгөн цагааны исэл бөгөөд хөнгөн цагааны атомын заримыг хромын атомаар сольдог. Хромын атомуудын (ионуудын) энергийн спектр нь гурван түвшний (Зураг 3.16.1) энергитэй , ба . Дээд түвшин нь үнэндээ хоорондоо нягт уялдаатай түвшний цуглуулгаас бүрдсэн нэлээд өргөн хамтлаг юм.

Р

Гурван шатлалт системийн гол онцлог нь 3-р түвшнээс доош байрлах 2-р түвшин байх ёстой метастабил түвшин.Ийм тогтолцоонд шилжихийг хуулиар хориглосон гэсэн үг квант механик. Энэ хориг нь сонгон шалгаруулалтын дүрэм зөрчсөнтэй холбоотой квант тооийм шилжилтийн хувьд. Сонгон шалгаруулалтын дүрэм нь шилжүүлэхгүй байх үнэмлэхүй дүрэм биш юм. Гэсэн хэдий ч зарим хүмүүсийн хувьд тэдний зөрчил квант шилжилтмагадлалыг эрс бууруулдаг. Нэгэнт ийм хувирамтгай төлөвт атом үүн дотор үлддэг. Энэ тохиолдолд метастабил төлөв дэх атомын амьдрах хугацаа () нь ердийн өдөөгдсөн төлөв дэх атомын амьдрах хугацаанаас () хэдэн зуун мянга дахин урт байна. Энэ нь өдөөгдсөн атомуудыг эрчим хүчээр хуримтлуулах боломжийг олгодог. Тиймээс 1 ба 2-р түвшний урвуу популяци үүсдэг.

Тиймээс процесс дараах байдлаар явагдана. Гэрлийн чийдэнгийн ногоон гэрлийн нөлөөн дор хромын ионууд үндсэн төлөвөөс өдөөгдсөн төлөвт шилждэг. Урвуу шилжилт нь хоёр үе шаттайгаар явагддаг. Эхний шатанд өдөөгдсөн ионууд эрчим хүчнийхээ тодорхой хэсгийг өгдөг болор тормөн метастабил төлөвт орно. Энэ муж улсын урвуу популяци үүсдэг. Хэрэв одоо энэ төлөвт орсон бадмаарагт 694.3 нм долгионы урттай фотон гарч ирвэл (жишээлбэл, түвшингээс аяндаа шилжсэний үр дүнд) үүссэн цацраг нь фотоны үржлийг бий болгоно. эх хувийг яг хуулбарлах (зохицуулалттай). Энэ үйл явц нь нуранги шинж чанартай бөгөөд маш их үүсэхэд хүргэдэг их тоозөвхөн лазер тэнхлэгт жижиг өнцгөөр тархдаг фотонууд. Лазерын оптик резонаторын толин тусгалаас олон удаа туссан ийм фотонууд дотор нь хол зайд аялж, улмаар өдөөгдсөн хромын ионуудтай олон удаа таарч, тэдгээрийн өдөөгдсөн шилжилтийг үүсгэдэг. Дараа нь фотоны урсгал тархдаг нарийн цацраг,

Ruby лазер нь импульсийн горимд ажилладаг. 1961 онд анхны хийн лазертасралтгүй горимд ажилладаг гелий ба неон хольц дээр. Дараа нь хагас дамжуулагч лазерууд бий болсон. Одоогийн байдлаар лазер материалын жагсаалтад олон арван хатуу болон хийн бодисууд багтдаг.

Лазер цацрагийн шинж чанар.

Лазерын цацраг нь ердийн (лазер бус) эх үүсвэрээс гардаггүй шинж чанартай байдаг.

1. Лазерын цацраг нь байдаг өндөр зэрэгтэймонохромат. Ийм цацрагийн долгионы урт нь ~ 0.01 нм байна.

2. Лазер цацраг нь цаг хугацааны болон орон зайн өндөр уялдаатай байдаг. Ийм цацрагийн когерентийн хугацаа секундэд хүрдэг (когерентийн урт нь м-ийн дараалалтай) бөгөөд энэ нь ердийн эх үүсвэрийн когерентийн хугацаанаас ойролцоогоор дахин их байна. Лазерын гаралтын нүхний орон зайн уялдаа холбоо нь цацрагийн бүх хөндлөн огтлолын туршид хадгалагдана. Лазер ашиглан хамгийн монохромат бус лазерын эх үүсвэрээс олж авсан ижил эрчимтэй гэрлийн долгионы когерентийн эзэлхүүнээс хэд дахин их гэрлийг гаргаж авах боломжтой. Тиймээс лазерын цацрагийг голографид ашигладаг бөгөөд үүнд өндөр түвшний уялдаа холбоо бүхий цацраг шаардлагатай байдаг.

3. Лазерын цацраг нь өндөр чиглэлтэй байдаг. Лазер гэрлийн цацрагийг зөвхөн 10÷20″ зөрүүтэй өнцгөөр олж авсан. Хамгийн дэвшилтэт гэрэлтүүлэг нь 1÷2 өнцгөөр гэрлийн цацраг үүсгэдэг.

4. Цацрагийн нарийхан байдлаас шалтгаалан лазерууд нь эрчим нь асар их утгад хүрдэг цацраг үүсгэх боломжтой болгодог. Тиймээс лазер нь гаралтын цонхны квадрат сантиметр бүрээс 100 Вт-ыг тасралтгүй ялгаруулж чаддаг. Халаасан бие нь ижилхэн цацрахын тулд түүний температур градусын дарааллаар байх ёстой. Тиймээс лазерын цацрагийг хамгийн галд тэсвэртэй бодисыг боловсруулах, гагнах, цус харвалтанд нөлөөлөхөд ашиглаж болно. химийн урвалгэх мэт.