Билет 1

1. Спонтанные переходы, коэффициент Эйнштейна для спонтанных переходов, кинетическое уравнение для этих переходов.

2. Полупроводниковые лазеры (энергетическая схема создания инверсий, способы создания инверсий, диапазоны значений основных параметров).

1.Спонтанное испускание возникает следствии спонтанного, т. е. самопроизвольного квантового перехода атома из возбужденного состояния в основное или другое возбужденное состояние с меньшей энергией. В квантовой электродинамики доказывается, что спонтанные переходы возникают вследствии взаимодействии электронов в атоме с так называемым фотонным вакуумом или нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Управлять этим процессом невозможно, т. к. спонтанный переход происходит произвольно. Значение коэффициента Энштейна Аmnдля переходов в оптическом диапазоне может изменяться отдля разреш. переходов до 1и более для запрещенных переходов. Электромагнитное излучение, обусловленное спонтанными переходами в коллективе атомов, называются спонтанным излучением. Спонтанное излучение ненаправленно, некогерентно, неполяризованно и немонохроматично. Такое естейственное излучение испускают люминесцентные лампы и накаливания.

2.В ППЛ активным элементом является полупроводниковый монокристалл, возбуждаемый либо инжекцией носителей p-nперехода (инжекционные ППЛ), либо пучком электронов высокой энергии (ППЛ с электронной накачкой), либо электрическим разрядом (стримерные ППЛ).

Особенностью ППЛ является использование для лазерной генерации вынужденных переходов между достаточно широкими энергетическими зонами. Быстрые электроны, проникая в глубь кристалла, ионизируют на своем пути узлы решетки. Возникающие «первичные» электроны обладают достаточно большой энергией и способны образовать лавину «вторичных» электронов, концентрация которых спадает при удалении от бомбардируемой поверхности в глубь кристалла. Наиболее заселенными оказываются уровни вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Полупроводник становится активной лазерной средой, когда процессы вынужденного испускания преобладают над процессами поглощения. Такая ситуация возникает при . Соотношение является условием инверсной населенности в собственном полупроводнике для переходов зона-зона. Физический смысл: для создания инверсии в полупроводнике возбуждение должно быть настолько интенсивным, чтобы создать вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

Билет 2

1. Вынужденные оптические переходы, коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов.

2. Инжекционные лазеры на гомопереходах (принцип работы, параметры).

1. Вынужденные (индуцированные) квантовые переходы происходят под воздействием внешнего возмущения, которым является электромагнитное излучение. Вероятность таких переходов пропорциональна интенсивности возмущения. Здесь Вnm-коэффициент Энштейна для вынужденных переходов с поглощением, р(w)-спектральная плотность излучения. Если атом находится в возбужденном состоянии и на него действует электромагнитное излучение, то это излучение способствует переходу атома в низшее состояние. В результате такого вынужденного перехода атом отдает энергию электромагнитной волне, амплитуда которой увеличивается. Этот процесс представляет собой вынужденное испускание. Здесь Вmn-коэффициент Энштейна для вынужденных переходов с испусканием. Важным является, то, что фотон, появившийся в результате вынужденного испускания, неразлечим с фотоном, индуцировавшим этот процесс, т. е. оба фотона имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяются в одном направлении. Поэтому вынужденное излучение, т.е. электромагнитное излучение, возникающее в результате процессов вынужденного испускания в коллективе атомов, является когерентным. Такое излучение в оптическом диапазоне испускают только оптические квантовые генераторы-лазеры.

2. Инжекционным называется полупроводниковый лазер, активная среда в котором возникает в результате инжекции свободных носителей заряда в область p-nперехода. Активный элемент инжекционного лазера называют лазерным диодом. Бывают гетеро- и гомо-. Гомо- не получили широкого распространения из-за низкого КПД, большого порогового тока, малого срока службы.

Гомопереход, как известно, образуется в полупроводнике за счет искусственно созданного распределения примесей.