skanuj0152

102

spontanicznej (rys.9), która zachodzi bez czynnika z zewnątrz, atomy źródła wysyłają promieniowanie niezależnie od siebie, w przypadkowych kierunkach, /. różnymi fazami i o różnych płaszczyznach polaryzacji. Światło to jest więc światłem niespójnym (niekoherentnym).

Atomy znajdujące się w niższym energetycznie stanie E\ mogą zostać pobudzone do przejścia do stanu wyższego energetycznie Ei w procesie absorpcji promieniowania elektromagnetycznego o energii hv odpowiadającej różnicy poziomów obu stanów (wzór 15). Możliwy jest jeszcze trzeci rodzaj przejść zwany emisją wymuszoną (rys.9). W procesie tym padający foton o energii danej wzorem (15) pobudza atom do przejścia z wyższego do niższego stanu energetycznego. Liczba fotonów wzrasta, gdyż oprócz fotonu padającego (wymuszającego) pojawia się jeszcze foton wyemitowany przez atom (wymuszony), posiadający tę samą energię hv i fazę oraz rozprzestrzeniający się w tym samym kierunku. Wiązka promieniowania powstała w wyniku emisji wymuszonej będzie posiadać duże natężenie, będzie stosunkowo mało rozbieżna, monochromatyczna i spójna. Zjawisko to znalazło zastosowanie w urządzeniach zwanych laserami.

W warunkach równowagi termodynamicznej liczba atomów znajdujących się w stanie podstawowym, zgodnie z prawem rozkładu Boltzmanna, znacznie przewyższa liczbę atomów w stanach wzbudzonych. W takich warunkach absorpcja światła padającego na układ będzie znacząco większa od emisji wymuszonej. W celu osiągnięcia przewagi drugiego rodzaju przejść, trzeba doprowadzić do zwiększenia ilości atomów wzbudzonych, czyli do odwrócenia (inwersji) obsadzeń. Wówczas przy odpowiednich warunkach pojedynczy padający foton może wymusić lawinową emisję fotonów identycznych z wymuszają-cym.

W laserach inwersję obsadzeń poziomów energetycznych uzyskuje się w procesie tzw. pompowania. W laserach gazowych za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego wywołuje się wyładowania w gazie, którego atomy zostają przeniesione na wyższe poziomy energetyczne E₂ (patrz p.2.1. dotyczący lasera I le-Ne). Stosuje się też pompowanie optyczne (laser rubinowy), wzbudzając atomy do poziomu E₂ (rys.10) promieniowaniem o częstotliwości vb=(Er-Ej)/h (laser rubinowy). Poziom E₂ jest poziomem krótkożyjącym i atomy przechodzą z niego do stanu podstawowego lub na długożyjący (metatrwały) poziom E\. Poziom metatrwały zapełnia się i zostaje osiągnięta inwersja obsadzeń.

Do uzyskania inwersji obsadzeń konieczne jest istnienie trzech poziomów energetycznych, z których jeden jest długożyjącym. W przypadku dwóch po-

303

ziomów możemy zwiększyć obsadzenie wyższego poziomu, ale ilość atomów w tym stanie nie przekroczy ilości atomów w stanie podstawowym, gdyż począwszy od pewnego momentu ilość aktów absorpcji będzie równa ilości aktów emisji.

g₂ mssm

hv₀

JVWW^

pompowanie

hv

J\AAAf^

promieniowanie laserowe

Rys.10. Schemat poziomów energetycznych

Każdy laser składa się z trzech zasadniczych elementów: materiału aktywnego, układu pompującego i układu zwierciadeł (rezonatora). Rezonator, to układ dwóch zwierciadeł, pomiędzy którymi umieszcza się materiał aktywny. Poprzez wielokrotne odbicia od zwierciadeł, rezonator ma na celu zapobiec opuszczeniu układu przez fotony i zapewnić lawinowy rozwój emisji wymuszonej. Jedno ze zwierciadeł jest częściowo przepuszczalne, aby wiązka mogła wydostać się na zewnątrz. Fotony rozchodzące się w innych kierunkach niż prostopadły do zwierciadeł, opuszczają układ i wiązka światła wychodząca na zewnątrz jest prawie równoległa (skolimowana).

5.4. Opis i zasada działania lasera półprzewodnikowego

Lasery półprzewodnikowe (diody półprzewodnikowe) zbudowane są z odpowiednio domieszkowanych materiałów półprzewodnikowych.

W półprzewodniku elektrony zaj

h v>E,

mują bardzo blisko siebie położone poziomy energetyczne, tworzące pasma energetyczne: zapełnione elektronami pasmo walencyjne i oddalone od niego pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną) pasmo przewodnictwa (rys. 11). Jeśli elektrony uzyskają dostateczną energię, przechodzą do pasma przewodnictwa, w którym mogą się swobodnie poruszać, podobnie jak elektrony w metalu. Pozostałe po elektronach w paśmie wa-

kierunekpola elektrycznego: -

przewodu

r\j^!faiyiinacja Viv=&-

pasmo

-walencyjne

Rys. 11. Schemat pasm energetycznych w półprzewodniku