Физика / EL_MAG_KNiIT (1)

Спонтанное и вынужденное излучение. Гетеропереходы и сверхрешетки Физика работы лазера

1. Изучаемая ФС представляет собой электромагнитное поле, изменяющееся во времени и пространстве,-электромагнитную волну.

Характеристики ФС. Свет (видимый) представляет собой электромагнитные волны определённого частотного диапазона.

Источником световых волн являются атомы вещества. При получении некоторой энергии из вне, электрон атома может перейти на более высокую орбиту, т. е в состояние с большей энергией. Это состояние неустойчиво, обратный переход сопровождается излучением энергии в виде «цуга» (порции) электромагнитной волны , где h–постоянная Планка, -частота. Согласно уравнениям Максвелла, после излучения, переменные поля Е(r,t) и B(r,t) могут существовать без источников (атомов их излучивших), если распространяются в пространстве.

Модель ФС.

1)Полагаем, что излучается непрерывная волна (не учитываем «цуги»)

2)Рассматриваем плоские, монохроматические волны вдали от источников.

3)Параметрами количественной оценки оптических явлений выбираем параметры электрической составляющей электромагнитного поля.

4)Исследование проводиться в рамках линейной теории (малых амплитуд излучения). Законы распространения. 1) в однородной среде световые волны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью;

2) на границе раздела луч падающий, отражённый и преломлённый лежат в одной плоскости при этом угол отражения равен углу падения, а отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред-относительный показатель преломления. Световые волны могут интерферировать и дифрагировать.

2. Интерференция и дифракция. света Явление наложения световых пучков (волн), в результате которого наблюдается

перераспределение интенсивности света в пространстве-интерференция.

Световая волна, распространяющаяся в направлении радиус-вектора записывается в виде

= cos(ωt – k), -вектора поля, где – амплитуда волны, k = 2π / λ – волновое число, λ – длина волны, ω = 2πν – круговая частота.

В оптических явлениях количественной мерой эффекта выступает чаще всего электрическая составляющая электромагнитного поля. Результат сложении двух (или нескольких) волн в

некоторой точке P(r) можно наблюдать как интенсивность , которая в общем случае зависит от частот ω, амплитуд и фаз φ слагаемых колебаний.

Приборов, которые способны были бы следить за быстрыми изменениями поля световой волны в оптическом диапазоне, не существует. Поэтому наблюдаемой величиной является поток энергии (интенсивность) который может быть зафиксирован за некоторое время называемое временем «готовности» или срабатывания прибора. Это означает, что прибор фиксирует параметр, усреднённый, как минимум, за это время. Так время срабатывания самого быстрого оптического

прибора . За это время этот прибор пропустит длин волн видимого

зеленого света.

Найдём результат интерференции света от двух независимых точечных источников в точке P: Пусть частоты волн различны и они прошли разные пути до точки Р.

здесь

Интенсивность: Здесь называют интерференционным слагаемым.

Если , суммарная интенсивность становится больше суммы интенсивностей источников, если , то меньше.

Теперь нужно иметь возможность наблюдать найти среднее значение интенсивности за некоторое время (не менее времени срабатывания прибора наблюдения)

1)Естественных свети испускается множеством различных атомов с различными частотами,

2)Чтобы интерференционное слагаемое было отличным от нуля (не важно, в меньшую или большую сторону), необходимо: чтобы не будет зависеть от

Времени. Такие волы называются когерентными. Интерференционное слагаемое . Для когерентных волн можно получить условия максимума и минимума:

Максимум: – четное число полуволн: когерентные волны проходят до точки сложения пути, разность которых

(разность хода) равна четному числу полуволн или целому числу длин волн. В точке сложения колебания полей происходят в фазе.

Минимум: , аналогично, – разность хода равна нечетному числу

полуволн. Колебания в точке сложения происходят в противофазе: максимумы одного колебания складываются с минимумами другого.

По сути, интерференция позволяет сделать запись световой волны не только по интенсивности, но и по фазам (расстояниями от объекта до прибора), превращая разности хода в амплитуды

3.Дифракция света. Принцип голографии. Голографическая запись информации.

Дифракция света – это явление отклонения света от закона прямолинейного распространения, не связанное с отражением или преломлением. Нас будет интересовать качественная сторона явления. В основе качественного рассмотрения лежит Принцип Гюйгенса-Френеля:

Каждая точка фронта световой волны может быть рассмотрена как источник вторичных волн. Эти вторичные волны интерферируют между собой и свет в каждой последующей точке наблюдения есть результат их интерференции. Другими словам, вторичные световые волны распространяются только по тем направлениям, по которым результат интерференции дают максимум.

Интерференция и дифракция позволяют сделать трёхмерную запись световой волны .

Голографии. Голографическая запись информации

Наиболее распространенным и широко применяемым способом регистрации изображения предметов является фотография. В фотографии регистрируется распределение интенсивности световых волн в двумерной проекции изображения объекта на плоскости фотоснимка.

Поэтому, под каким углом мы ни рассматривали бы фотографию, мы не видим новых ракурсов. Не можем увидеть также предметы, расположенные на заднем плане и скрытые впереди стоящими. Перспектива на фотографии видна лишь по изменению относительных размеров предметов и четкости их изображения. Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Голография принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной структуре. Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Современные голограммы наблюдают при освещении обычными источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект присутствия.

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн.

Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света . Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени, то есть волны должны быть я когерентными.

Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

. Решающее значение для развития голографии имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным, а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным.

Фотографическая запись картины интерференции предметной волны и опорной волны обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Т.е. при освещении записанной на пластине картины опорным пучком восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального. Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Конечно, полученную таким чудесным способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это - голограмма.

Полученная интерференционная картина является кодированным изображением, описывающим объект таким, каким он виден из всех точек фотопластинки. В этом изображении сохранена информация как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн .

Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм.

После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн .

После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством

частично отражать свет. Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление объектной волны при условии, что угол падения опорного пучка при записи и восстановлении останется неизменным. Не допускается также изменение длины волны света при восстановлении. Такая избирательность объемной пропускающей голограммы позволяет записать на пластинке до нескольких десятков изображений, изменяя угол падения опорного пучка соответственно при записи и восстановлении.

4.Спонтанное и вынужденное излучение.. Гетеропереходы и сверхрешетки. Лазеры и их

применение

Оптоэлектроника — научно-техническое направление, в котором исследуются и используются эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и на этой основе создаются устройства для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. К основным элементам оптоэлектроники относятся полупроводниковые источники некогерентного (светодиоды) и когерентного (лазеры) излучения, а также полупроводниковые фотоприемники. В основе действия многих вариантов перечисленных приборов лежат p–n переходы. При прямом включении в p–n переходе происходит переход электронов из п/п n=типа в п/п p-типа.

Инжектированные электроны; в приграничном слое рекомбинируют с дырками, которых в р области достаточно много. Каждый акт рекомбинации связан с уменьшением энергии электрона на величину Eg. Эта энергия может преобразоваться в энергию кванта электромагнитного излучения hν = Eq. Следовательно, прямо включенный p–n переход способен испускать электромагнитную волну.. Описанный эффект лежит в основе действия светодиодов.

Светодиод испускает некогерентное излучение. Однако существует режим, в котором p–n переход испускает когерентное, лазерное излучение. Соответствующие лазеры называются инжекционными полупроводниковыми лазерами.

Лазерное излучение может возникать в среде с так называемой «инверсной населенностью» энергетических уровней. Это среда, в которой достаточно много атомов находятся в возбуждённом состоянии. Переход в равновесное состояние (рекомбинация) и создает лазерное излучение.

Это излучение даёт мощный эффект, если оно когерентно и происходит в одном направлении.

Таким образам, для лазера характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия. Основа внешнего воздействия состоит в вынужденном (индуцированном) излучении. Время жизни атома в возбуждённом состоянии порядка 10-8 с. Пролетающий рядом с возбуждённым атомом фотон, может вызвать досрочное, вынужденное излучение, если оба фотона имеют одинаковые частоты (энергии). При этом, в отличии от спонтанного излучения, испущенный фотон будет иметь такое же направление движения и начальную фазу, что и пролетавший. Отсюда и название подобных процессов – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. В процессе вынужденного излучения количество квантов может нарастать лавинообразно, если количество возбуждённых атомов в среде существенно превышает количество не возбуждённых. Так возникает лазерный эффект, то есть усиление света посредством вынужденного излучения данного множества атомов. Естественно, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Среда (рабочее тело) должно также обладать способностью некоторое время (чем длительнее, тем лучше) удерживать атомы в возбуждённом состоянии. Так добавка в рубин (Al2 O3) хрома увеличило время жизни атомов в возбуждённом состоянии до 10-5с.!

Более эффективными для этих целей являются гетеропереходы и сверхрешетки.

Гетеропереходы образуются на границах раздела полупроводников с различной шириной запрещенных зон. В гетеропереходе претерпевают скачки многие параметры полупроводников: ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, их эффективные массы и т. д. Скачкообразное изменение свойств полупроводника на гетеропереходе дает возможность целенаправленно управлять этими свойствами путем подбора сопрягаемых полупроводниковых материалов. Поэтому гетеропереходы используются для совершенствования существующих полупроводниковых приборов и создания принципиально новых приборов различного электронного и оптоэлектронного назначения.

Сверхрешетка — это кристаллическая структура, обладающая помимо периодического потенциала, свойственного кристаллической решетке, дополнительным потенциалом, период которого существенно превышает атомарные размеры, но соответствует наномасштабам. Сверхрешетки могут создаваться в

проводниковых, магнитных и полупроводниковых материалах. Наиболее полно исследованы полупроводниковые сверхрешетки, состоящие из чередующихся нанослоев вещества, различающихся по составу. Чередующиеся заряды ионизированных доноров и акцепторов создают последовательность потенциальных ям для электронов и дырок. Электроны и дырки оказываются пространственно разделенными: дырки находятся в потенциальных ямах валентной зоны р"слоя, электроны — в

потенциальных ямах зоны проводимости n"слоя, что подавляет рекомбинацию и увеличивает их время

жизни до 103 с. Увеличение времени жизни атома в возбуждённом состоянии на 11 порядков!!

Принцип работы лазера и основные виды лазеров.

. В процессе вынужденного излучения количество квантов может нарастать лавинообразно, если количество возбуждённых атомов в среде существенно превышает количество не возбуждённых

Накачкой могут служить: электромагнитное излучение (свет); электрический ток; пучок релятивистских электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

Таким образом, основными элементами лазеров являются:

рабочее тело, среда, состоящая из атомов способных к возбуждению в заданном диапазоне длин волн;

источник энергии и система накачки энергии в рабочее тело;

система фокусировки светового пучка.

Виды лазеров

Газовые лазеры (лазер СО2)

Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют самый больший интерес. После первого газового лазера, основой которого была смесь гелия и неона (1960), было создано большое количество разнообразных газовых лазеров. В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, а также диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Жидкостный лазер

Лазер, активным веществом которого является жидкость. Среди преимуществ жидкостных лазеров можно выделить возможность реализации циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах.

Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей.. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра.

Твердотельные лазеры

Существует множество твердотельных лазеров, обладающих как импульсным, так и непрерывным излучением. Наиболее распространены среди импульсных твердотельных лазеров – лазер на рубине и неодимовом стекле. Неодимовый лазер работает на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Изготовляют также сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4 - 5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 Дж за время ~ 10-3 сек.

Полупроводниковые лазеры

Среди лазеров, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры имеют очень высокий КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение, который практически равен 100%. Они способны работать в непрерывном режиме. Другими особенностями полупроводниковых лазеров, имеющими практическую значимость, являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (30—50%); малая степень инерционности, которая обусловливает широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 ГГц); простая конструкция; также – возможность перестройки длины волны излучения и наличие значительного количества полупроводников, которые непрерывно перекрывают интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.