38. Лазеры. Процесс генерации.

Лазер или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.

39. Лазеры. Создание инверсной населенности.

Лазер или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.

40. Фермионы. Распределение Ферми-Дирака. Заполнение электронами разрешенных уровней в кристалле.

Фермион — частица (или квазичастица) с полуцелым значением спина. Своё название получили в честь физика Энрико Ферми.

Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино), дырки (квазичастицы в полупроводнике).

Статистика Ферми — Дирака в статистической физике — квантовая статистика, применяемая к системам тождественных фермионов (как правило, частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу запрета Паули, то есть, одно и то же квантовое состояние может занимать не более одной частицы); определяет статистическое распределение фермионов по энергетическим уровням системы, находящейся в термодинамическом равновесии; предложена в 1926 г. итальянским физиком Энрико Ферми и одновременно английским физиком Полем Дираком, который выяснил её квантово-механический смысл; позволяет найти вероятность, с которой фермион занимает данный энергетический уровень.

N_i — среднее число частиц в состоянии i,

— энергия состояния i,

g_i— кратность вырождения состояния i (число состояний с энергией ),

μ — химический потенциал (который равен энергии Ферми при абсолютном нуле температуры),

k — постоянная Больцмана,

T — абсолютная температура.

Заполнение энергетических уровней электронами в разрешённых зонах подчиняется принципу Паули. На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов (с противоположно направленными спинами).

41. Энергетические уровни в атоме и энергетические зоны в кристалле.

Электрон в изолированном атоме может иметь только дискретные значения энергии, называемые энергетическими уровнями, промежуточные значения энергии запрещены. Изолированный атом характеризуется серией энергетических уровней. У каждого элемента имеется характерная для него совокупность уровней - энергетический спектр.

Совокупность уровней атома с распределенными по ним электронами называют электронным состоянием или электронной конфигурацией. Состояния с одинаковыми энергиями называют вырожденными, а число состояний с одинаковыми энергиями называют кратностью вырождения.

Свойства атомов определяются их электронным состоянием (электронной конфигурацией), аналогично и свойства твердых тел определяются электронным состоянием совокупности N атомов, образующих твердое тело.

Совокупность уровней, образующихся при расщеплении одного энергетического уровня изолированного атома в поле (N-1) взаимодействующих с ним атомов, образуют зону(или полосу)разрешенных энергий. Зоны разрешенных энергий отделены друг от друга запрещенными зонами (полосами).

Химические свойства элементов и ряд физических свойств веществ объясняются поведением внешних валентных электронов атомов. Зону разрешенных энергий, образованную из уровня изолированного атома, на котором находятся валентные электроны атома в основном состоянии (при Т= 0˚ К) называют валентной зоной.

При абсолютном нуле валентные электроны заполняют уровни валентной зоны, начиная с самых нижних (невозбужденных) уровней. Более высокие энергетические уровни и зоны (возбужденные) остаются свободными. Свободные уровни, на которые могут переходить электроны в случае теплового возбуждения, образуют зону проводимости.