
- •Введение
- •Тема1. Оптическое излучение. Принципы работы квантовых систем.
- •1.1.Основные характеристики и параметры оптического излучения
- •Основные энергетические и светотехнические параметры
- •1.2. Энергетическое состояние квантовых систем
- •1.3. Взаимодействие электромагнитного излучения с квантовыми системами
- •1.3.1 Резонансное поглощение (вынужденное поглощение)
- •1.3.2.Спонтанное излучение.
- •1.3.3.Вынужденное излучение
- •1.4.Инверсная населенность и методы ее создания.
- •1.5. Спектральные свойства активной среды
- •Естественная ширина спектральных линий.
- •1) Уширение линии из-за столкновений.
- •2) Уширение линии из-за эффекта Допплера.
- •3) Другие причины уширения спектральной линии.
- •1.6. Принцип действия лазера
- •1.7. Оптические резонаторы.
- •2.1. Условия генерации лазера.
- •2.2. Cвойства и характеристики лазерного излучения
- •2.3. Классификация лазеров
- •2.3. Твердотельные лазеры
- •2.4. Газовые лазеры
- •Гелий-неоновый (He-Ne ) (атомарный) лазер.
- •2.5. Молекулярный со2 – лазер
- •Тема 3. Полупродниковые лазеры
- •3.1. Виды излучательных переходов
- •3.2. Основные характеристики полупроводниковых излучателей.
- •3.3 Инжекционные лазеры на гомопереходах.
- •3.4 Полупроводниковые инжекционные лазеры на
- •Тема 4. Некогерентные оптические излучатели
- •4.1. Светоизлучающие полупроводниковые диоды (сид)
- •Тема 5. Оптичекие приемники излучения
- •5.1. Поглощение света в твердых телах.
- •5.2. Классификация фотоприемников, основные параметры и характеристики.
- •5.3. Фотодиоды
- •5.3.1. Фотодиоды на основе p-n – перехода
- •5.4. Фотоприемники с внутренним усилением
- •5.5. Фоторезисторы
- •Тема 6. Оптроны
- •6.1. Принцип действия оптронов, структурные схемы и свойства.
- •6.1.1. Принцип действия оптронов
- •6.1.2. Структурные схемы оптронов
- •6.1.3. Назначение и требования к элементам оптрона
- •6.1.3.1. Назначение элементов
- •6.1.3.2. Требования к элементам оптрона
- •6.2. Параметры оптронов
- •6.2.1. Входная характеристика
- •6.2.2. Передаточная характеристика
- •6.2.3. Выходная характеристика
- •6.2.4. Быстродействие оптронов
- •6.2.5. Коэффициент спектрального согласования Кλ
- •6.2.6. Параметры изоляции
- •6.2.7. Добротность оптронов
- •6.2.8. Оптические вносимые потери w
- •6.3. Классификация оптронов
- •6.3.1. Условные схемные обозначения оптронов
- •6.3.2. Основные параметры различных типов оптронов
- •6.4. Применение оптронов
- •6 .4.1. Классификация оптронов по применению
- •6.4.1.1. Цифровые оптроны
- •6.4.1.2 Аналоговые оптроны
- •6.4.1.3. Ключевые оптроны
- •6.4.1.4. Специальные оптроны
- •Литература
1.5. Спектральные свойства активной среды
Энергетические уровни на которые осуществляются переходы, имеют конечную ширину. Поэтому излучение происходит в некотором интервале частот около частоты 21. При этой частоте энергия излучения имеет максимальное значение и убывает на частотах, отстоящих по обе стороны от нее. Частотный интервал, в пределах которого интенсивность излучения убывает вдвое по сравнению с максимальной, называется шириной спектральной линии. На рис. 9. приведен график изменения интенсивности излучения I от частоты .
рис.1.9
Естественная ширина спектральных линий.
Минимальная ширина спектральной линии может быть определена из соотношения Гейзенберга
Е t > h, (1.25)
где Е и t – неопределенность энергии и времени соответственно.
Время жизни частицы в возбужденном состоянии
2 = 1/ А21, (1.26)
следовательно, t = 2 и Е > h / 2 – неопределенность энергетического уровня.
Неопределенность энергии любого уровня j может быть записана как Еj > h / j, (1.27)
где j – время жизни частицы на уровне j.
Неопределенность частоты перехода между уровнями j и i (j>i) может быть записана как
(1.28)
Н
а
рис. 1.10 приведена энергетическая
диаграмма, поясняющая неопределенность
частоты перехода между уровнями j
и i
из-за их конечной ширины (
Еj
и
Ei
).
рис.1.10
Естественную ширину спектральной линии можно определить как минимальную ширину, определяемую временем жизни частиц при их спонтанном излучении (переходе с уровня j на уровень i ).
Форма естественной ширины спектральной линии описывается кривой Лоренца
I
/ I0
=
/
(1.29)
Рассмотрим причины уширения спектральной линии.
1) Уширение линии из-за столкновений.
Если излучающее
вещество газообразное, то отдельные
частицы в процессе теплового движения
могут сталкиваться между собой и со
стенками сосуда. При столкновении
энергетическое состояние частиц
изменяется, что эквивалентно сокращению
времени жизни частиц на данном уровне
энергии и, следовательно, расширению
спектра излучения. Ширина спектральной
линии в этом случае может быть определена
как
с,
где
с
– среднее время между столкновениями.
2) Уширение линии из-за эффекта Допплера.
Допплеровское уширение определяется зависимостью частоты излучения от скорости движения частицы.
рис.1.11
Если наблюдатель находится на оси х то при движении частицы со скоростью v под углом к оси х (рис.1.11), он обнаружит смещение частоты излучения на величину (при vx << c )
, (1.30)
где с - фазовая скорость распространения волны,
0 – частота илучения источника колебаний.
Отсюда получаем зависимость частоты излучения от скорости
0(
1+ vx
/
c) =
0(
1+v cos
/ c ) (1.31)
В газах распределение по скоростям газовых молекул подчиняется закону Максвелла – Больцмана.
F(v) = ( m / 2 kT ) 3/2 e –mv / 2kT (1.32)
Форма спектральной линии с учетом распределения F(v)
I = I0
exp
(- m (
2/
2kT
02)
(1.33)
Отсюда при I = I0 / 2
2ln2
(kT/mc2, (1.34)
где – уширение для одной молекулы.
Для газа с i молекулами
I (1.35)
Допплеровское уширение – неоднородное уширение, т. к. форма спектральной линии вещества не совпадает с формой спектральной линии одной частицы.