Kittel-Ch-Vvedenie-v-fiziku-tverdogo-tela (1239153), страница 117
Текст из файла (страница 117)
Трехуровневый мазер. Использование в мазере системы, состояшей из трех уровней (рис. 18.14), является остроумным решением проблемы создания инверсии населенностей. Эти трн уровня энергии нпоставляются» системс парамагнитными иона- 642 Е, ЛЗ >»7 гаатлая лягачая л7 »7»лт жрая даная Е» л» Рпс. 18.!4. Трехуровневая система для мазера. П системе с тремя урозяямн »персии можно получить инверсию населенностей, насыщая мощным высокочастотным излучением (накачной) переход между уровнями Ез и Е» (т.
е. создавая снтуапню с л» = лз). Мазер может «работать» либо иа переходе Е» -» Е», либо на переходе Е» -» Е» поскольку для одной пз зтнх пар уровнен создается инверсия населенностеи. мп, присутствующими в кристалле в виде примеси [39!. Пусть на эту трехуровневую систему действует мощное высокочастотное излучение с частотой аз» =(Ез — Е!)//т. Это излучение позво.
ласт поддерживать почти равными населенности уровней 1 и 3, Для <быстроты» изменения паселспностн пз уровня 2 в результате обычной тепловой релаксации справедливо соотношение и' = — и Р (2 — 1) — п,Р (2 — » 3) + п»Р (3 -» 2) + и, Р (1 — » 2), (18. 17) где Р— вероятности перехода между соответствующими уровнями в единицу времени. В стационарном состоянии с/пя/с// = О, и в результате насыщения перехода 1 — ».
3 за счет поглощения энергии высокочастотного электромагнитного излучения имеем пз = и,, откуда л» Р (3 -» 2) + Р (! -» 2) ю Р (2 †» !) + Р (2 -» 3) На величины Р влияют многие особенности парамагиитных ионов и их окружения, но можно с уверенностью сказать, что при использовании трехуровневой системы мы всегда получаем нужный эффект; в этой системе либо и, ) п„и тогда усиление осуществляется на переходе 2- 1, либо и, ( и, = и,, и тогда усиление осуществляется на переходе 3 — 2. Очень подходящим материалом для трехуровневого манера является кристалл рубина.
Рубин — это кристалл корунда А1,0, с небольшой примесью ионов хрома Сг'+. Ионы Сгз» имеют спиновое квантовое число 5 = 3/2; нижний (основной) уровень иона Сгз+ расщепляется в магнитном поле на четыре подуровня, три из которых используются при работе мазера. Кристаллы рубина широко используются для создания усилителей СВЧ с низким уровнем шумов, которые нашли применение в радиоастрономии и для целей космической связи.
2!» б бч ОоМние ОрэОни Оуироние оопосеу энергий сО гО „е 2О хсэ м" УО х йснсОеое соопоееие Рис. 16.15. Струк ура эпсргетпче тэхх уровней примссиых по юв Сгзч используемая для работы лазера. Первоначальное нозбулхденнс сот~опт в персгэше попов нз основного состояния нэ какой-либо уров нь в юг роких полосах эпершш зЕг и 'ггз Звтеэг ионы переходят на ср д "..
у,швни эд! это г1езизлуютетыгые переходьь прн когорых образуются фопопы.,1азсрный эффект (пспускаиис фотонов) рсалпзустсн при переходе ионов со средних уровней иа основной. Рубиновый лазер. Тот же кристалл рубина, который был использован в мазсре СВЧ диапазона, оказался также первым кристаллом, на котором был сделан лазер '), ио при этом использовались другие энергетические уровни иона Сг". На рис.
18.!5 показана структура энергетических уровней ггрпмссных ионов Сгз', используемая для работы лазера. Примерно ип «высоте» 15 000 см-' от основного уровня находятся два уровня, обозначенные зЕ и отдслепныс друг от друга интервалом 29 ем †'. Пад этими уровнями лежат две широкие полосы эиср гий хЕ, и 4Ез. Поскольку эти полосы достаточно широки, опи могут быть эффективно заселены за счет оптического поглощения излучения от источннког, саста с широким спектром частот [рис. !8.16) К таким источникам света относится, например, кссноновая лампа-вспышка.
При работе р) бинового лазсва атомы хрома нояб)энда~отея с похтогцью источника света с широким сгектро.а частот и переходят из основного состояния в по,зосы 'Е~ и 4Гз. Среднее время жизня атома в ооьшном возбужденном состоянии порядка 10 — ' сек. За это время атом перейдет из полос зГ~ и "Ез на один из уровней 'Е. При переходе на уровни 'Е атом Сг не излучает.
Его энергия тратится на возбуждение колебаний кристаллической решетки рубина, т. е. на образование фононов. Такого рода ') См. работы Меймана [40, 41). Прнипипы, положенные в основу действия лазеров иифраирасного и оптичесного диапазона, рассмотрены в работе Шавлова и Тауиса [421. 644 Нноуиооноо руйон 'Рпс. 18.16. Схема первого руоппового лазера с пип,л' сиым возбуждением.
Ллппа рубинового стержня 5 см, впещппй дпзмегр 2,5 см. Имеппо ьта схема была псп ьтзоваяз Меймаиом в его орпгппальиыт работах Г40, 411, Нйоруеууон арубло /Ымоголгогой оненогроот Нана Фононм Рис. !8.!Ва. Ооразоваиие фогоца а результате рекочбппацпп электрояз и дыокп. Рпс. 1о.17. Чегырехуровпевая система, аспол~зуеиая в лазере аз иеод и иовом стекле. Кроо золэл нроуойоноомо Рис. 18.18б. Смещеипый полупроводниковый р — и-переход между р- и и-об. ластами, в которых дырки и электроны вырождеиы. Прь прилажеяии к р — и-переходу иапряжеиия прямого смещения возяикает рекомбииацпоииос излучение. Приложение иапряжеиия прямого смещеиия приводит к ияжекцяп иеосяовиых иосителей через переход; в результате возиикающей пря этом рекомбинации испускаются фотояы.
переходы называются безизлучательными переходами. На уровнях 'Е, прежде чем перейти на основной уровень, атом живег 5 10 — ' сек. Такое большое время жизни (по атомным масштабам) позволяет накапливать атомы на уровнях 'Е. Для работы лазера необходимо, чтобы населенность уровней 'Е превосходила населенность основного уровня. Если в возбужденном состоянии в 1 см' находятся 10аа ионов хрома Сг", то полная запасенная в рубине энергия равна 10' эрг/смэ. Если вся запасенная энергия превращается в излучение, которое покидает кристалл в виде короткой вспышки, то излучаемая мощность достигает очень большого значения, К сожалению, далско не вся запасенная энергия превращается в излучение.
К. и, д. лазера, т. е. отношение выходной энергии излучения к входной электрической энергии, равен приблизителыю !ело. Другим распространенным типом твердотельного лазера является четырехуровневый лазер (рис. !8.!7), работающий на неодимовом стекле (вольфрамат кальция с добавкой ионов неодима Мба'). В четырехуровневой системе для осуществления лазерного эффекта нет необходимости освобождать основное состояние. Полупроводниковые лазеры на р — п-переходе.
Вьп.уждеппое излучение можно получить па кристалле полупроводника за счет рекомбинации электронов и дырок в области р — и-перехода (рис. 18.18). Накачка, т. е. создание инверсии населенностей, осуществляется путем приложения к р — и-переходу электрического напряжения. Электромагнитным резонатором является внутренняя часть кристалла полупроводника, поскольку отражательная способность границы кристалл — воздух весьма высока. Две грани кристалла, перпендикулярные к плоскости р — п-перехода, обычно полируют или тщательно очищают. Необходимо, чтобы грани были плоскопараллельными; испускаемое излучение распространяется вдоль плоскости р — и-перехода. В кристаллах, имеющих запрещенные зоны с прямыми оптическими переходами (максимум энергии в валентной зоне и минимум энергии в зове проводимости соответствуют значению й =- О), вероятность рекомбинации довольна высока.
Такие кристаллы обычно и используются для изготовления лазеров на р — п-переходе. В кристаллах, имеющих запрещенные зоны с непрямыми оптическими переходами, при рекомбинации наряду с фотонами образуются и фоионы. В этом случае носители рекомбинируют менее интенсивно вследствие конкуренции между переходами двух разных типов. Первым материалом, который был использован для создания лазера на р — п-переходе, был арсенид галлия ОаЛз ').
Ои ') Результаты пернмх экспериментов можно найти а работах Холла и др. [43), Натана н др. [44), Канста н др [!6]. 646 излучает в близкой инфракрасной области спектра на длине волны, приблизительно равной 8383 А (1,48 эВ). Наблюдаемая длина волны зависит от температуры н давления, что используется для «перестройки» частоты излучения лазера. Арсенид галлия имеет запрещенную зону с прямыми оптическими переходами: прн й = 0 имеет место максимум энергии в валентной зоне и минимум энергии в зоне проводимости. Лазер на арсе- ниле галлия обладает высоким коэффициентом полезного действия (отношение испушенной световой энергии к затраченной электрической 50с)о).
Для создания лазеров на р — п-переходе используются также фосфид галлия Пар (). = 0,65 мкм) и антимонид индия 1пВЬ (Х = 5,3 мкм). ФОТОПРОВОДИМОСТЬ Явление фотопроводнмости заключается в возрастании электропроводности диэлектрического кристалла при падении излучения на кристалл. Первые наиболее обстоятельные исследования в этой области были выполнены Гудденом, Полем и Роузом. Явление фотопроводимостн имеет большое практическое значение для телевидения, регистрации инфракрасного излучения, фотометрии и непосредственно в фотографических процессах.
Прямым эффектам освещения кристалла является возрастание числа подвижных носителей заряда в кристалле Если энергия ппдакн щпх фотонов больше ширины запрещенной зоны Ес, то каждый фотон, поглощенный кристаллом, будет создавать пару электрон — дырка. Иначе говоря, фотон поглощается за счет перехода электрона в зону проводимости нз валентной зоны, где он вначале находился. При этих обстоятельствах как дырка в валснтной зоне, так и электрон в зоне проводимости могут давать вклад в проводимость.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
