76. Основные типы лазеров. Свойства лазерного излучения и основные области применения лазеров.

Лазеры в зависимости от типа активной среды: твердотельные, жидкостные, плазменные. Из твердотельных кроме рубина применяются лазеры на алюмо-итриевом гранате с неодимом (=1.06 мкм). Это дешёвые мощные лазеры, которые работают в импульсном режиме. Жидкостные на органических красителях (более 200 видов)=0.31.3 мкм. Газовые на разряженных газах (p=110 мм рт. ст.); накачка осуществляется с помощью электрического разряда, работают в беспрерывном режиме. Гелий-неоновый лазер излучает 3 длинны волны1=0.632=1.153=3.39 мкм. Аргоновый 2 длинны волны1=0.492=0.51 мкм. Для накачки используют дуговой разряд постоянного тока. Самые мощные лазеры на углеродистом газе излучают в инфракрасной области=10.6 мкм, до 15кВт в непрерывном режиме. Эти лазеры невидимым лучом способны резать, плавить, варить металлы и неметаллы.

Применение лазеров основано на уникальных свойствах лазерного излучения: 1.высокая степень когерентности; 2. малая расходимость (узкая направленность) луча. Узкая направленность: можно получить высокую плотность мощности (до 10⁷Вт/см²) используется в лазерной технологии обработки материалов (сверление алмазов, металлов, керамики, раскройка тканей). Лазерная резка (тонкие точные размеры, химическая чистота процесса, возможна резка по сложному контуру); например лазер на СО₂мощностью 3кВт режет стальной лист толщиной 5 мм со скоростью 3 м/мин. Лазерная сварка (нет контакта с изделием, нет грязи, возможна сварка через окно в геометрических объемах, сварка сетчатки глаза через глазное яблоко, малые зоны теплового влияния). Лазер в качестве скальпеля (стерильность, почти без крови и безболезненность); использование лазера вместо бормашины; использование для записи и считывания информации на компакт-дисках.

Информационное применение лазера связано с тем, что его излучение имеет высокую степень когерентности: в информационных технологиях для получения, обработки и передачи информации, для контроля и измерений. Примеры: голография, волоконно-оптическая связь, лазерное зондирование атмосферы, терапия.

77. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники, диэлектрики.

Изолированные атомы имеют определенный набор квантовых состояний, в которых они могут находиться. Каждому квантовому состоянию соответствует определенный уровень энергии. В кристалле, состоящем из nатомов, число возможных квантовых состояний каждого атома увеличивается вnраз за счет их взаимодействия с другими атомами. Каждый энергетический уровень расщепляется наnблизлежащих уровней. Вместо каждого уровня образуется изолированная энергетическая зона, в пределах которой атом может изменять свою энергию. Наибольшее расщепление происходит для уровней, на которых находятся валентные (внешние) электроны. Уровни, на которых находятся электроны внутренних оболочек, расщепляются слабо, т.е. связаны с ядром.(r1,r2 – равновесное расстояние между атомами (смотри рис.)).В зависимости от атомов расстояние при котором наблюдается равновесие, может быть типаr1 и типаr2. При равновесии типаr1 каждый энергетический уровень, на котором находятся валентные электроны, распадается наnэнергетических уровней, образуя разрешенные и запрещенные зоны. В пределах разрешенной зоны энергия атома может изменяться квази-непрерывно, т.к. ширина разрешенной зоны не зависит от количества атомов в кристалле и имеет порядок около 1эВ. Если в кристалле 10²³атомов, то в разрешенной зоне будет около 10²³уровней, тогда расстояние между ними будет порядка 10^-23эВ При нагревании кристалла на 1К энергия атома возрастет на 10^-4эВ.

Металлы(мет), полупроводники(п/п) и диэлектрики. Зонная теория твердых тел позволяет объяснить электропроводность мет , п/п, и диэлектрика. Разрешенную зону, на которой находятся валентные электроны в основном состоянии в изолированных атомах называют валентной зоной. При абсолютном нуле валентные электроны заполняют энергетические уровни валентной зоны попарно(по 2 на каждом уровне с противоположными спинами). Более высокие разрешенные зоны будут свободны от электронов. В зависимости от атомов возможно 3 случая (рис. конспект). У металлов валентная зона не вся заполнена электронами. Часть уровней валентной зоны свободна от электронов, поэтому электроны могут переходить на эти уровни, например, ускоряясь под воздействием электрического поля. Кроме этого если Т>0 , то электроны в результате теплового движения так же переходят на более высокие уровни(энергия увеличивается на 10^-4эВ). Частично заполненная валентная зона у металлов называется зоной проводимости. Как образуется не заполненная валентная зона:

1.Если у каждого атома только один валентный электрон, ему соответствует какой-то уровень энергии в изолированном атоме то при объединении атомов в кристалл этот уровень расщепляется на nуровней. Посколькуnэлектронов располагаются на каждом уровне попарно, то займутn/2 энергетических уровней и половина энерг. уровней в валентной зоне останется свободной.

2.При расстоянии между атомами типа r2 соседние уровни энергии перекрываются образуя так называемую гибридную зону. Число уровней в гибридной зоне будет большеnзначит часть уровней остается свободной, на их может разместиться больше чемn/2 электронов.

Случай IIиIII(п/п, диэл.). Все энергетические уровни в валентной зоне заполнены. Следующая разрешенная зона называется зоной проводимости. В зависимости от ширины запрещенной зоны, вещество может быть полупроводником и диэлектриком. Вещества с малой запрещенной зоной (0.1 эВ) называют полупроводниками, а с широкой диэлектриками. При нагревании полупроводника энергии теплового движения может быть достаточно для того чтобы электрону преодолеть запрещенную зону и перейти на нижний уровень зоны проводимости. Электроны оказавшиеся в зоне проводимости дальше могут изменять свою энергию практически непрерывно. Таким образом, обеспечивается собственная электронная проводимость чистых п/п. Места оставшиеся в валентной зоне являются вакантными, на них могут переходить электроны более низких уровней валентной зоны. Вакансия называется дыркой. Перемещение электрона в пределах валентной зоне равносильно движению дырки в валентной зоне. Таким образом, электронная проводимость п/п дополняется дырочной проводимостью. Перевод электронов из валентной зоны п/п может быть произведен с помощью фотона (кванта света) внутренний фотоэффект; не освещенный п/п был изолятором, освещенный становится проводником, т.к. часть электронов переведена в зону проводимости. Если ширина запрещенной зоны составляет несколько эВ, то энергии теплового движения уже не достаточно, чтобы перевести электроны с валентной зоны в зону проводимости – это изоляторы.