Аяндаа болон өдөөгдсөн цацраг гэж юу вэ. Аяндаа болон өдөөгдсөн ялгаралт. Аяндаа болон өдөөгдсөн мутаци

Лазер буюу оптик квант генераторууд нь хэд хэдэн өвөрмөц шинж чанартай орчин үеийн когерент цацрагийн эх үүсвэрүүд юм. Лазерыг бүтээх нь 20-р зууны хоёрдугаар хагаст шинжлэх ухаан, технологийн олон салбарт хувьсгалт өөрчлөлт хийхэд хүргэсэн физикийн хамгийн гайхамшигтай ололтуудын нэг байв. Өнөөдрийг хүртэл бүтээгдсэн их тоолазеруудтай өөр өөр шинж чанарууд– хий, хатуу төлөвт, хагас дамжуулагч, янз бүрийн оптик мужид гэрэл ялгаруулдаг.

Лазер нь импульсийн болон тасралтгүй горимд ажиллах боломжтой. Лазерын цацрагийн хүч нь милливаттын фракцаас 10 12-10 13 Вт (импульсийн горимд) хүртэл хэлбэлзэж болно. Лазерыг өргөнөөр ашигладаг цэргийн техник, материал боловсруулах технологи, анагаах ухаан, оптик навигаци, харилцаа холбоо, байршлын систем, нарийн интерференцийн туршилт, хими, зүгээр л өдөр тутмын амьдралд гэх мэт. Хэдийгээр анхны лазерыг харьцангуй саяхан (1960) бүтээжээ. орчин үеийн амьдралЛазергүйгээр төсөөлөхийн аргагүй болсон.

Нэг хамгийн чухал шинж чанаруудЛазерын цацраг нь лазер бус эх үүсвэрийн цацрагт хүрэх боломжгүй маш өндөр түвшний монохроматик шинж чанартай байдаг. Энэ болон бусад бүх зүйл өвөрмөц шинж чанаруудЛазер цацраг нь ажлын бодисын олон атомын гэрлийн квантуудын уялдаа холбоотой, хамтран ялгаралтын үр дүнд үүсдэг.

Лазерын үйл ажиллагааны зарчмыг ойлгохын тулд гэрлийн квантуудыг атомаар шингээх, ялгаруулах үйл явцыг авч үзье. Атом нь E 1, E 2 гэх мэт энергитэй янз бүрийн энергийн төлөвт байж болно. Борын онолоор эдгээр төлөвийг тогтвортой гэж нэрлэдэг. Үнэн хэрэгтээ атом нь гадны нөлөөлөл байхгүй үед тодорхойгүй хугацаагаар байж чадах цорын ганц тогтвортой төлөв нь хамгийн бага энергитэй төлөв юм. Энэ нөхцлийг үндсэн гэж нэрлэдэг. Бусад бүх мужууд тогтворгүй байна. Өдөөгдсөн атом эдгээр төлөвт маш богино хугацаанд, ойролцоогоор 10-8 секундын турш үлдэж, дараа нь аяндаа доод төлөвүүдийн аль нэгэнд орж, квант гэрлийг ялгаруулж, давтамжийг Борын хоёрдугаар постулатаас тодорхойлж болно. . Атом нэг төлөвөөс нөгөө төлөвт аяндаа шилжих үед ялгарах цацрагийг аяндаа гэж нэрлэдэг. Атом нь зарим энергийн түвшинд 10-3 секундын дарааллаар илүү удаан хугацаагаар байж чаддаг. Ийм түвшинг метастабил гэж нэрлэдэг.

Атомыг илүү өндөр энергитэй төлөвт шилжүүлэх нь фотоныг резонансын шингээлтээр дамжуулж болох бөгөөд түүний энерги нь эцсийн ба анхны төлөв дэх атомын энергийн зөрүүтэй тэнцүү байна.

Атомын энергийн түвшин хоорондын шилжилт нь фотонуудын шингээлт, ялгаралтаас бүрдэх албагүй. Атом нь бусад атомуудтай харилцан үйлчлэлцэх эсвэл электронтой мөргөлдсөний үр дүнд өөрийн энергийн зарим хэсгийг олж авах эсвэл орхиж, өөр квант төлөвт шилжиж болно. Ийм шилжилтийг цацраггүй гэж нэрлэдэг.

1916 онд А.Эйнштейн атом дахь электрон дээд энергийн түвшнээс доод түвшинд шилжих нь гадны хүчин зүйлийн нөлөөн дор явагдана гэж таамаглаж байсан. цахилгаан соронзон орон, түүний давтамж нь шилжилтийн байгалийн давтамжтай тэнцүү байна. Үүссэн цацрагийг албадан эсвэл индукц гэж нэрлэдэг. Өдөөгдсөн ялгаралт нь аяндаа ялгардаг ялгаралтаас эрс ялгаатай. Өдөөгдсөн атомын фотонтой харилцан үйлчлэлийн үр дүнд атом нь ижил давтамжтай өөр фотоныг ялгаруулж, ижил чиглэлд тархдаг. Хэл дээр долгионы онолЭнэ нь атом нь давтамж, фаз, туйлшрал, тархалтын чиглэл нь анхны долгионтой яг адилхан цахилгаан соронзон долгионыг ялгаруулдаг гэсэн үг юм. Фотонуудын өдөөгдсөн ялгаралтын үр дүнд орчинд тархах долгионы далайц нэмэгддэг. Үзэл бодлоос нь квант онол, өдөөх атомын давтамж нь шилжилтийн давтамжтай тэнцүү фотонтой харилцан үйлчлэлийн үр дүнд хоёр бүрэн ижил ихэр фотон гарч ирдэг. Энэ нь лазерын үйл ажиллагааны физик үндэс болох өдөөгдсөн цацраг юм. 80-р зурагт шингээлт (a), квантын аяндаа ялгарах (b) ба квант (c) -ийн индукц ялгаралт бүхий атомын энергийн хоёр төлөв хоорондын шилжилтийн боломжит механизмуудыг схемээр үзүүлэв. Атомууд нь E 1 ба E 2 > E 1 энергитэй төлөвт байж болох тунгалаг бодисын давхаргыг авч үзье. Резонансын шилжилтийн давтамжийн цацрагийг энэ давхаргад тараацгаая ν = ΔE/h. Больцманы тархалтын дагуу термодинамик тэнцвэрт байдалд байгаа бодисын илүү олон атомууд бага энергийн төлөвт байх болно. Зарим атомууд нь бусад атомуудтай мөргөлдөхөд шаардлагатай энергийг хүлээн авах өндөр энергийн төлөвт байх болно. Доод болон дээд түвшний популяцийг n 1 ба n 2 гэж тус тус тэмдэглэе.< n 1 . При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рисунке 80. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона

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. валентийн зурвас ба дамжуулах 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.

Атом ба молекулууд нь тодорхой энергийн түвшинд байрладаг. Тусгаарлагдсан атом энергийн төлөвөө өөрчлөхийн тулд нэг бол фотоныг шингээж (энергийг олж авах), илүү өндөрт шилжих ёстой. эрчим хүчний түвшин, эсвэл фотон ялгаруулж, бага энергийн төлөвт орно.

Хэрэв атом өдөөгдсөн төлөвт байгаа бол хэсэг хугацааны дараа доод төлөвт орж фотон ялгаруулах тодорхой магадлал бий. Энэ магадлал нь тогтмол ба "хувьсах" гэсэн хоёр бүрэлдэхүүн хэсэгтэй.

Хэрэв өдөөгдсөн атом байрладаг бүсэд цахилгаан соронзон орон байхгүй бол фотон ялгаруулалт дагалдаж, шилжилтийн магадлалын тогтмол бүрэлдэхүүнээр тодорхойлогддог атомын доод төлөвт шилжих үйл явцыг аяндаа гэж нэрлэдэг. ялгаруулалт.

Өөр өөр атомууд бие биенээсээ хамааралгүйгээр ялгардаг тул аяндаа ялгарах ялгарал нь уялдаа холбоотой биш юм. Хэрэв ялгарсан фотоны давтамжтай тэнцүү давтамжтай гадаад цахилгаан соронзон орон атом дээр үйлчилдэг бол атомын аяндаа бага энергийн төлөв рүү шилжих үйл явц өмнөх шигээ үргэлжилж, атомаас ялгарах цацрагийн үе шат. гадаад талбайн үе шатаас хамаардаггүй.

Гэсэн хэдий ч ялгарч буй фотоны давтамжтай тэнцүү давтамжтай гадаад цахилгаан соронзон орон байгаа нь атомуудыг цацраг туяагаар өдөөж, атом бага энергийн төлөвт шилжих магадлалыг нэмэгдүүлдэг. Энэ тохиолдолд атомын цацраг нь хөдөлгөгч гадаад цацрагтай ижил давтамж, тархалтын чиглэл, туйлшралтай байна. Атомуудын цацраг нь тусдаа байх болно фазын төлөвгадаад талбартай, өөрөөр хэлбэл уялдаатай байх болно. Ийм цацрагийн процессыг өдөөгдсөн (эсвэл албадан) гэж нэрлэдэг бөгөөд "хувьсах" магадлалын бүрэлдэхүүнээр тодорхойлогддог (гадаад цахилгаан соронзон орны эрчим хүчний нягтрал их байх тусам илүү их байдаг). Цахилгаан соронзон орны энерги нь шилжилтийг өдөөхөд зарцуулагддаг тул гадаад талбайн энерги ялгарах фотонуудын энергийн хэмжээгээр нэмэгддэг. Эдгээр үйл явц нь бидний эргэн тойронд байнга тохиолддог гэрлийн долгионүргэлж материтай харьцдаг.

Гэсэн хэдий ч урвуу процессууд нэгэн зэрэг явагддаг. Атомууд фотоныг шингээж, өдөөгдөж, цахилгаан соронзон орны энерги шингэсэн фотонуудын энергийн хэмжээгээр буурдаг. Байгальд ялгарах, шингээх үйл явцын хооронд тэнцвэр байдаг тул дунджаар бидний эргэн тойрон дахь байгальд цахилгаан соронзон орныг бэхжүүлэх үйл явц байдаггүй.

Хоёр түвшний системтэй болцгооё.

Хоёр түвшний систем дэх шилжилтийн диаграм

N2– өдөөгдсөн төлөвт нэгж эзэлхүүн дэх атомын тоо 2. N1– сэтгэл догдлолгүй байдалд 1.

dN2 = - A21 N2 dt,

2 төлөвийг орхисон нэгж эзэлхүүн дэх атомын тоо. A21нь бие даасан атомын 2-р төлөвөөс 1-р төлөв рүү аяндаа шилжих магадлал юм. Интеграцчилснаар бид олж авна.

N2 = N20 eA21t,

Хаана N20– тухайн үед 2 төлөвт байгаа атомын тоо t = 0. Аяндаа ялгарах эрч хүч Icтэнцүү байна

Ic = (hμ21 dN2) / dt = hμ21 A21 N2 = hμ21 A21 N20 e – A21t,

Аяндаа ялгарах эрч хүч экспоненциалаар буурдаг.

-аас хойш 2 төлөвөөс гарах атомын тоо труу t +dt, тэнцүү байна A21 N2dt, өөрөөр хэлбэл энэ нь цаг хугацаагаар амьдарсан атомын тоо юм ттөлөвт 2. Тиймээс дундаж наслалт τ 2-р төлөвт байгаа атом нь тэнцүү байна

τ = (1 / N20) 21 N2 tdt = A21 e-A21t

dt = (1 / A21)τ = 1 / A21

Ic = hμ21 A21 N20 e – A21t = (hμ21 N20 / τ) e

Өдөөгдсөн шилжилтийн магадлал W21 2 – 1 цахилгаан соронзон орны спектрийн энергийн нягттай пропорциональ ρν шилжилтийн давтамж дээр, өөрөөр хэлбэл

W21 = B21 ρν,

В21– Өдөөгдсөн ялгаралтын Эйнштейний коэффициент.

Шилжилтийн магадлал 1-2

W12 = B12 ρν,

ρν = (8πhμ321 / c3) · (1 / e -1)Планкийн томъёо.

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.Аяндаа ялгарах үед нэгж хугацаанд атомын төлөвөөс төлөвт шилжих тоо нь тухайн төлөв дэх атомын тоотой пропорциональ байна.

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

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

Өөр өөр энергитэй төлөвт атомуудын тэнцвэрт хуваарилалтыг Больцманы хуулиар тодорхойлно.

Дараа нь (3.16.5) -аас бид олж авна

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 төхөөрөмжүүдийг дамжин өнгөрөх үед бүтээжээ цахилгаан соронзон долгионөдөөгдсөн ялгаруулалтаар олшруулсан. 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.

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. Учир нь аяндаа шилжих шилжилтүүдхарилцан хамааралгүй бол аяндаа ялгарах ялгарал нь уялдаа холбоогүй болно.

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.