Глава 12. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

§1. Люминесценция

Под люминесценцией понимают излучение, которое во-первых, является избыточным над тепловым, и, во-вторых, характеризуется длительностью значительно превышающей период световых колебаний (t >> 10^-15 c).

Люминесцентное излучение возникает за счет специальных источников энергии.

По роду возбуждения различают следующие виды люминесценции (табл. 1):

Таблица 1. Виды люминесценции и их источники

Люминесценция возникает в результате квантовых переходов атомов, молекул, ионов из возбужденных состояний в основное состояние или состояния с меньшей энергией.

Эти атомы, молекулы, ионы называются центрами люминесценции.

Элементарный процесс люминесценции состоит из двух этапов:

1) возбуждение центра люминесценции;

2) излучение кванта энергии при переходе центра люминесценции в состояние с более низким значением энергии.

Возможны два типа переходов центра люминесценции в состояние с более низким значением энергии:

1) спонтанное испускание излучения (рис. 69). спонтанность означает, что процесс излучения фотона не зависит от каких-либо факторов;

2) вынужденное испускание излучения (рис. 70). В этом случае испускаемый фотон с энергией может вызвать квантовый переход еще одного центра люминесценции с уровня на уровень . В результате появляется еще один фотон с энергией . А. Эйнштейн показал, что вынужденное (индуцированное) излучение имеет такие же характеристики как и первичное излучение: частоту, фазу, направление распространения и поляризацию.

Процессы вынужденного испускания фотонов будут преобладать над встречными процессами поглощения излучения, если обеспечена инверсия заселенностей уровней центров люминесценции (на верхних уровнях находится больше частиц чем на нижних). В этом случае генерируется вынужденное излучение.

Устройства, в которых используется генерация вынужденного излучения в видимой области спектра, называются лазерами.

§2. Лазеры

Теоретические основы лазеров были разработаны в середине 50-х гг. ХХ в. советскими физиками Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и одновременно американским физиком Ч. Таунсом. Первый лазер был создан Т.Мейманом в 1960 г.

В настоящее время созданы твердотельные и газоразрядные, полупроводниковые и химические, жидкостные лазеры, имеющие размеры от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров, работающие в непрерывном и импульсном режиме.

Несмотря на разнообразие свойств, все лазеры имеют одинаковые структурные элементы: активную среду, оптический резонатор и систему накачки (рис. 71). Активная среда — это рабочее вещество, содержащее активные центры — центры люминесценции. Активные центры — атомы, молекулы или ионы, специально вводимые в основной материал в виде небольшой примеси. Только в полупроводниковых лазерах нет активной зоны — роль активной зоны выполняет p-n-переход. Активная среда может быть твердой, жидкой или газообразной. В соответствии с этим различаются твердотельные жидкостные и газовые лазеры.

В лазерах используется вынужденное испускание фотонов активными центрами. Для осуществления этого процесса необходимо создать их инверсную населенность.

Для создания инверсной населенности необходима дополнительная энергия. Эта энергия сообщается среде от специального устройства — системы накачки. Система накачки состоит из источника света (лампа накаливания, импульсная лампа, газоразрядная лампа и т.д.) и отражателя, фокусирующего излучение источника накачки на активной среде.

Для генерации излучения необходимо, чтобы массовое высвечивание активных центров происходило в каком-то определенном направлении. Выделение этого направления осуществляется с помощью оптического резонатора.

В простейшем случае резонатор образован двумя плоскими параллельными зеркалами. Одно зеркало полностью отражающее, второе — выходное — частично пропускает излучение.

Излучение возбужденных активных центров многократно проходит между зеркалами резонатора. Из многих волн, возникающих в активной среде, будут усиливаться только те, длина которых связана с длиной резонатора L соотношением:

,

где n = 1, 2, 3, ……

Длина волны определяет тип колебаний или моду. В резонаторе может одновременно возбуждаться много мод. Работу в узком диапазоне частот можно обеспечить, помещая внутрь резонатора селективный элемент, выделяющий одну из мод.

Свойства лазерного излучения:

1. монохроматичность, обусловленная резонансными переходами частиц между уровнями;

2. узконаправленность, связанная с тем, что испускаемое излучение многократно отражается от стенок резонатора и распространяется вдоль его оси;

3. пространственная когерентность, обусловленная тем, что все волновые фронты плоские и перпендикулярны к направлению распространения волн;

4. временная когерентность — поскольку излучение практически монохроматично и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени;

5. значительная выходная мощность — поскольку в излучении участвует большое число возбужденных частиц, причем совпадение фаз отдельных волн приводит к существенному усилению амплитуды по мере распространения волны в активной среде.