76. Отрицательные температуры и отрецательный коефициент поглощения.

–I=Ix=(B₁₂N₁–B₂₁N₂)u_hx

Коэффициент поглощения  будет иметь вид:

Учитывая, что g₁B₁₂=g₂B₂₁ получаем

Из распределения Больцмана

следует, что

Поскольку E₂>E₁, а в равновесии g₁N₂<g₂N₁ то T>0.

Однако если выполняется неравенство

или

то Т<0.

Инверсия населенности. Методы образования инверсии населенности.

Как известно, коэффициент поглощения  имеет вид

Из распределения Больцмана

следует, что

Поскольку E₂>E₁, а в равновесии g₁N₂<g₂N₁ то T>0.

Однако если выполняется неравенство

или

то Т<0. Таким образом, для того чтобы создать среду с отрица­тельным поглощением, необходимо осуществить неравновесное со­стояние, при котором число возбужденных атомов было бы больше числа атомов, находящихся в нормальном, невозбужденном состоя­нии. Заселенность энергетических уровней атомов, удовлетворяю­щих данному неравенству, носит название инверсной насе­ленности.

Одним из способов получения среды с отрицательным поглоще­нием может явиться создание косвенным путем избытка атомов на более высоком уровне энергии по отношению к более низкому.

Такой случай можно осуществить на атомной или молекулярной системе, которая может находиться в трех энергетических состоя­ниях: в нормальном с энергией E₀ и двух возбужденных (1 и 2) с энергиями E₁ и E₂, между которыми возможны спонтанные пе­реходы с вероятностями А₂₀, A₂₁ и A₁₀.

В такой системе с помощью поглощаемых квантов света произ­водится заселение возбужденного уровня 2. Селективное заселе­ние уровня получило название оптической накачки. Уровень 1 заселяется только в результате спонтанного перехода 21, и число таких переходов в единицу времени равно A₂₁N₂

Уменьшение населенности уровня 1 происходит только за счет пе­реходов 10, и число таких переходов в единицу времени будет A₁₀N₁. В стационарных условиях количество заселяющих пере­ходов равно числу обратных переходов:

A₂₁N₂=A₁₀N₁.

Для получения индуцированного излучения необходима ин­версная населенность уровней, т. е. населенность уровня 2 должна быть больше, чем уровня 1. Для рассматриваемой системы инверс­ная населенность уровней возникнет в том случае, если

A₂₁<A₁₀

Из этого соотношения следует, что уровень 2 за счет перехода 21 должен опустошаться медленнее, чем уровень 1 за счет пе­реходов 10. При таком соотношении вероятностей в состоянии 2 будет накапливаться больше атомов, чем в состоянии 1. Однако для осуществления такого процесса накопления атомов необходимо также, чтобы уровень 2 достаточно медленно опустошался за счет переходов 20, т.е. вероятность перехода из состояния 2 в со­стояние 0 должна быть мала.

77. Светодиоды и полупроводниковые лазеры на pn-переходе.

В свет-х свечение возникает при пропускании тока в прямом направлении.

Свечение в с – е относится к явлению электро люминис-ции. Инжекция на р-n переходе возн. в рез. инжекции неосновных носителей заряда.

Электроны инжектируются в p-область, а дырки в n-область. Рекомбинация своб-х электронов и дырок может происходить на примесных уровнях или в рез. рекомбинации свободного эл. и дырки. Спектр испускания свет-в может иметь несколько полос, связанных с примесными центрами (активаторами), и полосу зонно-зонных переходов. Излучение св-а явл. спонтанным, кванты света распростроняются в разном направлении. Яркость свечения. В области p-n перехода т.ж. может происходить рекомбинация, эн. кот. Тратится на нагревание кр. решётки, поэтому КПД =до 40%.

Среди светоизлучающих диодов (СИД) различают диоды для индикации, для оптической связи, а также обладающие высокой мощностью излучения.СИД по сравнению с полу­проводниковыми лазерами обладают более широким спектром излучения, полоса модуляции у них уже, а эффективность связи с оптическим волокном ниже.

По способу вывода излучения СИД подразделяются на дио­ды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями.

В СИД с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода. В СИД с торцевыми излучателями вывод излучения, выхо­дящего из активного слоя, осуществляется с торца, как в полу­проводниковых лазерах. Так как в этом случае генерируемое излучение при выводе наружу проходит через активный слой, то имеет место сильное самопоглощение и КПД вывода излу­чения не может быть таким же высоким, как у ранее рассмотренного типа диодов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР НА P-N-ПЕРЕХОДЕ.

Энергетический спектр идеального полупроводника состоит из очень широких зон: это валентная зона V и зона проводимо­сти С, разделенные областью запрещенных значений энергии (запрещенной зоной).

Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V (т. е. рекомбинировать с дыркой), то, если поместить такой полупроводник в соответствующий резонатор, можно получить лазерную генерацию. Необходимым условием лазерной генера­ции должно быть превышение числа вынужденных актов испускания фотонов над числом актов их поглощения. Чтобы получить вынужденное излучение, должно вы­полняться условие

Bq[f_с(1–f_υ)-f_υ(1–f_c)]>0.

Чтобы получить лазерную генерацию, две про­тивоположные поверхности полупроводникового образца поли­руют и делают плоскопараллельными, а две другие оставляют грубо обработанными с тем, чтобы предотвратить генерацию в нежелательных направлениях. Обычно обе рабочие поверх­ности не имеют отражающих покрытий.

Полупроводниковый лазер не может работать в непрерывном режиме при температурах выше неко­торой критической температуры Т_с. Повышенные тем­пературы требуют более высокой плотности тока, которая в свою очередь приводит к дальнейшему росту температуры, исключая таким образом возможность получений непрерывного режима генерации. Самые эффективные лазеры имеют очень широкую полосу генерации (>10¹¹Гц)

78. Основные нелинейные явления в оптическом диапазоне

1. Просветление среды.

2. Затемнение среды.

3. ”Выпрямление ” среды (по частотам)

-вектор поляризации

где Р – поляризайия =

- при больших полях

4. Эфект самофокусировки.

При мощности порядка 90кВт пучок диаметра 0.5 см при прохождении через среду сжимается до 30 мкм.

5. Нарушение кр. границы фотоэффекта.

При мощном излучении проявляется эффект двойного фотонного поглащения

6. а) Вынужденное комбинационное рассеивание.

На материал падает частота _н (накачки) и видно чо в спектре появляются новые частоты

₁, ₂, ₃ – собственные колебания среды (кол – я диполе, молекул и т.д.)

б)Вынужденное рассеивание Мельдннштама – Брюллюэна.

С помощью пьезоелектрика запускаем низкочастотное колебание  (в кристале) и при входной частоте _н на выходе будет _н+n

7.Параметрическая генерация света.

Действкя на вращающийся кристалл 3 – мя волнами

E_н0 >> E₁₀ >> E₂₀

то на выходе увидим что частота изменилась ₁ < _вых < ₂