Лекции_Теория / Физика твердого тела БИН / Глава Т6
.pdf
Раздел VII Физика твердого тела Глава VI. Лазеры
1. Основные радиационные процессы в лазерах
Спонтанное излучение, A21 -вероятность спонтанного излучения в единицу времени.
Вынужденное поглощение, P12 - вероятность вынужденного поглощения в единицу времени. Вынужденное испускание, P12 - вероятность вынужденного испускания в единицу времени. Фотон
испускаемый при вынужденном процессе имеет ту же частоту , направление k , фазу, что и первоначальный.
P12 P21 B21U( ), U( ) - спектральная плотность энергии вынуждающего излучения.
В состоянии термодинамического равновесия:
B12U( )N1 B21U( )N2 A21N2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
U( ) |
A21 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
(U( )по Планку) |
||||||||||||||||||
|
B |
|
|
N1 |
|
1 |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
3 |
|
|
1 |
|
|
|
|
A21 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
е kТ |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
2с3 |
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
N1 |
|
|
|
||||||||||||
|
е |
kТ |
1 |
|
е |
|
kТ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
по Больцманау |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
В |
|
2c3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Соотношение Эйнштейна
2. Основные условия лазерной генерации.
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
А) Для получения усиления излучения при прохождении через рабочее вещество лазера необходимо создать инверсную населенность:
N2 N1
(В состоянии термодинамического
равновесия N2 e N1
KT 1)
Трехуровневая схема (рубиновый лазер
Al2O3 Cr3 )
Четырехуровневая схема (неодимовый лазер, стекло Nd3 )
Кж – короткоживущий уровень(~10 8c ) Дж – долгоживущий
уровень(~10 3 10 4c)
Б) Положительная обратная связь (оптический резонатор)
R1R2e2 L 1
χ - коэффициент усиления
3. Полупроводниковые инжекционные лазеры
В настоящее время нашли широкое применение в информационной технике (лазерные принтеры, DVD – приводы, сканеры…)
Спонтанное излучение (спонтанная рекомбинация электрона и дырки)
Вынужденное поглощение (внутренний фотоэффект)
Вынужденное испускание (вынужденная рекомбинация электрона и дырки)
Инверсная населенность:
e g E
Ширина спектра спонтанного излучения
E e g .
Положительная обратная связь. В качестве зеркал
используются сколы граней кристалла. Инжекционные п/п лазеры представляют из себя диоды на p-n переходе, включаемые в прямом
направлении. В тонком слое p-n перехода (1- 2 к ) за счет инжекции электронов и дырок создается инверсная населенность.
GaAs j |
~102 |
|
A |
|
,P ~10BT ,kn ~ 50% , |
|
cm |
|
|||||
|
порог |
|
2 |
|
||
|
8200 9000A0 |
(ИК излучение) |
||||
Вопросы:
1.Основные радиационные процессы в лазерах.
2.Что такое инверсная населенность.
3.Как осуществляется положительная обратная связь в лазерах.
4.Устройство полупроводникового инжекционного лазера.