물질을 통한 방사선의 통과. 레벨의 역 모집단.에너지 수준이 있는 2단계 매체를 다시 생각해 보세요. 그리고 . 특정 주파수의 단색광이 이 매질에 떨어지면
그러다가 멀리까지 퍼지면 dx스펙트럼 에너지 밀도의 변화는 시스템 원자의 공명 흡수 및 유도(자극) 방출과 관련됩니다. 유도 방출로 인해 스펙트럼 에너지 밀도 빔이 증가하고 에너지의 증가는 다음에 비례해야 합니다.
.
다음은 차원 비례 계수입니다.
마찬가지로, 광자 흡수 과정으로 인해 빔의 스펙트럼 에너지 밀도가 감소합니다.
.
접는 그리고 , 우리는 완전한 변화를 발견합니다 에너지 밀도:
아인슈타인 계수의 동일성 고려 흡수계수를 입력하면 ㅏ, 우리는 이 방정식을 다음과 같은 형식으로 씁니다.
이 미분 방정식의 해는 다음과 같은 형식을 갖습니다.
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|
.이 공식은 스펙트럼 에너지 밀도를 제공합니다 유두꺼운 물질층을 통과할 때 광자 빔에서 엑스, 여기서 해당 점에 해당 엑스 = 0 .
볼츠만 분포에 따라 열역학적 평형 조건에서, , 따라서 흡수 계수 a는 양수입니다. :
따라서 (6.18)에서 볼 수 있듯이 복사 에너지 밀도는 물질을 통과할 때 감소합니다. 즉, 빛이 흡수됩니다. 그러나 시스템을 만들면 , 그러면 흡수 계수가 음수가 되어 감쇠가 발생하지 않지만 강도 증가 스베타. 그것이 호출되는 환경의 상태 인구 수준이 반대인 상태, 그런 다음 환경 자체가 호출됩니다. 활성 매체. 수준의 역모집은 볼츠만 평형 분포와 모순되며 시스템이 열역학적 평형 상태에서 벗어나면 인위적으로 생성될 수 있습니다.
이는 응집성 광학 방사선을 증폭 및 생성할 수 있는 근본적인 가능성을 창출하며 실제로 이러한 방사선 소스(레이저) 개발에 사용됩니다.
레이저 작동 원리.일부 물질(활성 매체)의 농도를 반전시키는 방법이 발견된 이후 레이저 생성이 가능해졌습니다. 스펙트럼의 가시광선 영역에서 최초의 실용적인 발생기는 루비를 기반으로 한 (미국 Mayman(1960))에서 만들어졌습니다. 루비는 작은 ( 0,03 % – 0,05 % ) 크롬 이온의 혼합물 (). 그림에서. 그림 6.1은 크롬의 에너지 준위 다이어그램을 보여줍니다( 3계층 환경). 넓은 수준 가시광선의 녹색-청색 영역에서 넓은 주파수 대역을 갖는 강력한 가스 방전 램프의 빛으로 크롬 이온을 여기시키는 데 사용됩니다. 펌프 램프. 외부 소스의 펌프 에너지로 인한 크롬 이온의 여기는 화살표로 표시됩니다. .
쌀. 6.1. 활성 3단계 환경 다이어그램(ruby)
수명이 짧은 수준의 전자는 빠르게 ( 씨) 레벨로의 비방사적 전환(파란색 화살표로 표시) . 이 경우 방출되는 에너지는 광자 형태로 방출되지 않고 루비 결정으로 전달됩니다. 이 경우 루비가 가열되므로 레이저 설계로 냉각이 가능합니다.
오래 지속되는 병목 현상의 수명 금액 씨즉, 광대역 수준보다 5배 이상 높습니다. . 펌프 출력이 충분하면 해당 레벨의 전자 수(라고 함) 준안정) 수준 이상이 된다 , 즉, "작업" 수준과 "근로" 수준 사이에 역인구가 생성됩니다. .
이러한 수준 사이의 자발적인 전환 중에 방출되는 광자(점선 화살표로 표시) 추가(자극된) 광자의 방출을 유도합니다. - (전환은 화살표로 표시됨) 이는 결국 유도된 파장을 가진 광자의 전체 폭포 방출.
예시 1.열역학적 평형 조건 하에서 실온에서 루비 결정의 작업 수준의 상대적 인구를 결정합시다.
루비 레이저에서 방출되는 파장을 기준으로 에너지 차이를 찾습니다.
.
실온에서 티 = 300K우리는:
Boltzmann 분포에서 이제 다음과 같습니다.
.
레벨이 반전된 활성 매체를 구현하는 것은 전투의 절반에 불과합니다. 레이저가 작동하려면 빛을 발생시키는 조건을 만드는 것도 필요합니다. 긍정적 인 피드백. 활성 매체 자체는 전송된 방사선만 증폭할 수 있습니다. 레이저 모드를 구현하려면 시스템의 모든 손실을 보상하는 방식으로 자극 방사선을 증폭해야 합니다. 이를 위해 활성 물질을 광학 공진기, 일반적으로 두 개의 평행 거울로 구성되며 그 중 하나는 반투명하고 공진기에서 방사선을 출력하는 역할을 합니다. 구조적으로 최초의 루비 레이저는 길이가 긴 원통형 결정을 사용했습니다. 40mm및 직경 5mm. 끝부분은 서로 평행하게 연마되어 공진 거울 역할을 했습니다. 끝 중 하나는 반사 계수가 1에 가깝도록 은도금되었고 다른 쪽 끝은 반투명했습니다. 즉, 반사 계수가 1보다 작았으며 공진기에서 방사선을 출력하는 데 사용되었습니다. 자극의 원인은 루비 주위를 나선형으로 감싸는 강력한 펄스 크세논 램프였습니다. 루비 레이저 장치는 그림 1에 개략적으로 표시되어 있습니다. 6.2.
쌀. 6.2. 루비 레이저 장치: 1- 루비 막대; 2- 펄스형 가스 방전 램프; 삼- 반투명 거울; 4- 거울; 5- 자극 방출
펌프 램프 전력이 충분하면 크롬 이온의 대부분(약 절반)이 들뜬 상태로 전환됩니다. 에너지 운영 수준에 대한 인구 역전이 달성된 후 그리고 , 이러한 준위 사이의 전이에 해당하는 첫 번째 자발적으로 방출된 광자는 선호되는 전파 방향을 갖지 않으며 자극 방출을 유발하며, 이는 또한 루비 결정의 모든 방향으로 전파됩니다. 유도 방출에 의해 생성된 광자는 입사 광자와 같은 방향으로 날아간다는 점을 기억하십시오. 운동 방향이 수정 막대의 축과 작은 각도를 형성하는 광자는 끝에서 다중 반사를 경험합니다. 다른 방향으로 전파되는 광자는 루비 결정의 측면을 통해 빠져나오고 나가는 방사선의 형성에 참여하지 않습니다. 이것이 공진기에서 생성되는 방식입니다. 좁은 롤빵 그리고 활성 매질을 통해 광자가 반복적으로 통과하면 점점 더 많은 광자의 방출이 유도되어 출력 빔의 강도가 증가합니다.
루비 레이저에 의한 빛의 복사 생성이 그림 1에 나와 있습니다. 6.3.
쌀. 6.3. 루비 레이저에서 방사선 생성
따라서 광학 공진기는 두 가지 기능을 수행합니다. 첫째, 포지티브 피드백을 생성하고, 둘째, 특정 공간 구조로 좁은 지향성 방사선 빔을 형성합니다.
고려된 3단계 계획에서 작업 수준 사이의 인구 반전을 생성하려면 충분히 많은 양의 원자를 자극해야 하며 이는 상당한 에너지 소비가 필요합니다. 더 효과적인 것은 4단계 체계, 예를 들어 네오디뮴 이온을 사용하는 고체 레이저에 사용됩니다. 중성 원자에 대한 가장 일반적인 가스 레이저에서 - 헬륨- 네온 레이저 - 4단계 계획에 따른 생성 조건도 충족됩니다. 이러한 레이저의 활성 매체는 불활성 가스의 혼합물입니다. - 바닥 상태 에너지를 가진 헬륨과 네온 (우리는 이를 0 수준으로 간주합니다). 펌핑은 전기 가스 방전 과정에서 수행되며, 이로 인해 원자는 에너지로 들뜬 상태가 됩니다. . 수준 네온 원자의 경우(그림 6.4) 수준에 가깝습니다. 헬륨의 경우, 헬륨 원자가 네온 원자와 충돌할 때 여기 에너지는 방사선 없이 네온 원자로 효과적으로 전달될 수 있습니다.
쌀. 6.4. 레벨 다이어그램- 네-레이저
그리하여 레벨 네온은 낮은 레벨보다 인구가 더 많은 것으로 밝혀졌습니다. . 이러한 작동 수준 사이의 전환에는 파장이 있는 방사선이 수반됩니다. 632.8nm, 산업현장에서 기본이 되는 네-네-레이저. 수준에서 네온 원자는 오래 머물지 않고 빠르게 바닥 상태로 돌아갑니다. 레벨이니 참고하세요 네온은 극히 미미하게 채워져 있으므로 그리고 소수의 헬륨 원자를 여기시키는 것이 필요합니다. 이는 시설의 펌핑 및 냉각 모두에 훨씬 적은 에너지를 필요로 하며, 이는 4단계 발전 계획에서 일반적입니다. 레이저 생성의 경우 다른 수준의 네온을 사용할 수 있으며(그림 6.4에는 표시되지 않음) 가시광선과 IR 범위 모두에서 방사선을 생성하고 헬륨은 펌핑 프로세스에만 사용됩니다.
예시 2.해당 레벨의 상대균형인구를 구해보자 실온에서 네온에.
이 문제는 숫자 값에서만 이전 문제와 다릅니다. 다양성을 위해 전자 볼트로 계산해 보겠습니다. 먼저 볼츠만 상수를 다음 단위로 표현해 보겠습니다.
그래서 실온에서
.
이제 우리는 쉽게 찾을 수 있습니다
실용적인 관점에서 볼 때 이러한 작은 숫자는 0과 다르지 않으므로 약한 펌핑을 사용하더라도 레벨 간에 역모집단이 생성됩니다. 그리고 .
레이저 방사선에는 다음과 같은 특징이 있습니다.
높은 시간적 및 공간적 일관성(단색성 방사선 및 낮은 빔 발산);
높은 스펙트럼 강도.
방사선 특성은 레이저 유형 및 작동 모드에 따라 다르지만 제한 값에 가까운 일부 매개 변수를 확인할 수 있습니다.
빠른 프로세스를 연구할 때는 짧은(피코초) 레이저 펄스가 필수입니다. 극도로 높은 피크 전력(최대 수 GW)을 펄스로 개발할 수 있는데, 이는 각각 백만 kW에 달하는 여러 원자력 발전소의 전력과 동일합니다. 이 경우 방사선은 좁은 원뿔에 집중될 수 있습니다. 이러한 광선을 사용하면 예를 들어 망막을 눈의 안저에 "용접"할 수 있습니다.
레이저의 종류.일반 물리학 과정의 일부로서, 다양한 유형의 레이저는 극도로 다양하기 때문에 그 구체적인 특징과 기술적 응용에 대해 자세히 설명할 수 없습니다. 우리는 활성 매체의 특성과 펌핑 방법이 다른 레이저 유형에 대해 상당히 간략하게 검토할 것입니다.
고체 레이저.그들은 일반적으로 펄스를 사용합니다. 첫 번째 레이저는 위에서 설명한 루비 레이저였습니다. 네오디뮴을 작동 물질로 사용하는 유리 레이저가 인기가 있습니다. 그들은 다음과 같은 파장의 빛을 생성합니다. 1.06μm, 크기가 크고 최대 TW의 피크 전력을 갖습니다. 제어된 열핵융합 실험에 사용할 수 있습니다. 미국 리버모어 연구소의 거대한 Shiva 레이저가 그 예입니다.
매우 일반적인 레이저는 네오디뮴이 포함된 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG)으로, 다음 파장의 적외선 범위에서 방출됩니다. μm. 최대 수 kHz의 펄스 반복 속도로 연속 생성 모드와 펄스 모드에서 모두 작동할 수 있습니다(비교를 위해 루비 레이저는 몇 분마다 1개의 펄스를 갖습니다). 전자 기술(레이저 기술), 광학 거리 측정, 의학 등 다양한 분야에 응용됩니다.
가스 레이저.이들은 일반적으로 연속 레이저입니다. 이는 빔의 정확한 공간 구조로 구별됩니다. 예: 헬륨-네온 레이저는 특정 파장의 빛을 생성합니다. 0,63 , 1,15 그리고 3.39μm mW 정도의 전력을 갖는다. 기술 분야에서 널리 사용됨 - kW 및 파장 정도의 출력을 갖는 레이저 9,6 그리고 10.6μm. 가스 레이저를 펌핑하는 한 가지 방법은 방전을 이용하는 것입니다. 활성 기체 매질을 사용하는 다양한 레이저에는 화학 레이저와 엑시머 레이저가 있습니다.
화학 레이저.인구 역전은 수소(중수소)와 불소 같은 두 가스 사이의 화학 반응에 의해 생성됩니다. 발열 반응을 기반으로 함
.
분자 HF진동의 자극으로 이미 태어나서 즉시 역 인구를 생성합니다. 생성된 작업 혼합물은 축적된 에너지의 일부가 전자기 방사선의 형태로 방출되는 광학 공진기를 통해 초음속으로 통과됩니다. 공진 거울 시스템을 사용하여 이 방사선은 좁은 빔으로 집중됩니다. 이러한 레이저는 높은 에너지를 방출합니다(더 2kJ), 펄스 지속 시간 약. 30ns, 최대 전력 여. 효율성(화학적) 도달 10 % , 일반적으로 다른 유형의 레이저의 경우 - 퍼센트의 일부입니다. 생성파장 - 2.8μm(3.8μm레이저에 대한 DF).
수많은 유형의 화학 레이저 중에서 불화수소(중수소) 레이저가 가장 유망한 것으로 인식됩니다. 문제: 지정된 파장을 갖는 불화수소 레이저의 방사선은 대기 중에 항상 존재하는 물 분자에 의해 활발하게 산란됩니다. 이는 방사선의 밝기를 크게 감소시킵니다. 불화중수소 레이저는 대기가 거의 투명한 파장에서 작동합니다. 그러나 이러한 레이저의 비에너지 방출은 다음을 기반으로 하는 레이저의 비에너지 방출보다 1.5배 적습니다. HF. 이는 우주에서 이를 사용할 때 훨씬 더 많은 양의 화학 연료를 제거해야 함을 의미합니다.
엑시머 레이저.엑시머 분자는 들뜬 상태에만 있을 수 있는 이원자 분자(예: )입니다. 들뜬 상태가 아닌 상태는 불안정한 것으로 나타납니다. 엑시머 레이저의 주요 특징은 엑시머 분자의 바닥 상태가 채워지지 않은 상태, 즉 낮은 작동 레이저 레벨이 항상 비어 있다는 것과 관련이 있습니다. 펌핑은 펄스 전자빔에 의해 수행되며, 이는 원자의 상당 부분을 여기 상태로 이동시켜 엑시머 분자로 결합합니다.
운전 수준 간 전환은 광대역이므로 발전 주파수 조정이 가능합니다. 레이저는 UV 영역( nm) 효율성이 높고 ( 20 % ) 에너지 변환. 현재 엑시머 레이저는 파장이 193nm각막의 표면 증발(절제)을 위해 안과 수술에 사용됩니다.
액체 레이저.액체 상태의 활성 물질은 균질하며 냉각을 위한 순환이 가능하므로 고체 레이저에 비해 장점이 있습니다. 이를 통해 펄스 및 연속 모드에서 높은 에너지와 출력을 얻을 수 있습니다. 최초의 액체 레이저(1964~1965)는 희토류 화합물을 사용했습니다. 그들은 유기 염료 용액을 사용하는 레이저로 대체되었습니다.
이러한 레이저는 일반적으로 가시광선 또는 UV 범위의 다른 레이저에서 나오는 방사선의 광학 펌핑을 사용합니다. 염료 레이저의 흥미로운 특성은 생성 빈도를 조정할 수 있다는 것입니다. 염료를 선택하면 근적외선부터 근자외선 범위까지 모든 파장에서 레이저를 얻을 수 있습니다. 이는 액체 분자의 광범위한 연속 진동-회전 스펙트럼 때문입니다.
반도체 레이저.반도체 재료를 기반으로 하는 고체 레이저는 별도의 클래스로 분류됩니다. 펌핑은 전자빔, 강력한 레이저 조사에 의한 충격으로 수행되지만 더 자주 전자적 방법으로 수행됩니다. 반도체 레이저는 개별 원자나 분자의 개별 에너지 준위 사이가 아니라 허용된 에너지 밴드, 즉 밀접하게 간격을 둔 레벨 세트 사이의 전이를 사용합니다(결정의 에너지 밴드는 후속 섹션에서 더 자세히 논의됩니다). 다양한 반도체 재료를 사용하면 다음과 같은 파장의 방사선을 얻을 수 있습니다. 0,7 ~ 전에 1.6μm. 활성 요소의 크기는 매우 작습니다. 공진기의 길이는 다음보다 짧을 수 있습니다. 1mm.
일반적인 전력은 수 kW 정도이고 펄스 지속 시간은 약 3ns, 효율성 도달 50 % , 광범위한 응용 분야(광섬유, 통신)를 보유하고 있습니다. TV 이미지를 대형 화면에 투사하는 데 사용할 수 있습니다.
무료 전자 레이저.고에너지 전자 빔은 "자기 빗"(전자가 주어진 주파수에서 진동하도록 하는 공간적으로 주기적인 자기장)을 통과합니다. 해당 장치인 언듈레이터는 가속기 섹션 사이에 위치한 일련의 자석으로, 상대론적 전자가 언듈레이터 축을 따라 이동하고 가로로 진동하여 1차("자발적") 전자기파를 방출합니다. 전자가 들어가는 개방형 공진기에서는 자발적인 전자기파가 증폭되어 일관성 있는 지향성 레이저 방사선을 생성합니다. 자유 전자 레이저의 주요 특징은 전자의 운동 에너지를 변경하여 생성 주파수(가시 영역에서 IR 범위까지)를 원활하게 조정할 수 있다는 것입니다. 이러한 레이저의 효율성은 1 % 평균 전력에서 최대 4W. 전자를 공진기로 되돌리는 장치를 사용하면 효율을 다음과 같이 높일 수 있습니다. 20–40 % .
엑스레이 레이저와 함께 핵 펌핑.이것은 가장 이국적인 레이저입니다. 개략적으로, 이는 표면에 최대 50개의 금속 막대가 서로 다른 방향으로 고정되어 있는 핵탄두를 나타냅니다. 막대에는 2개의 자유도가 있으며 총신처럼 공간의 어느 지점으로든 향할 수 있습니다. 각 막대의 축을 따라 고밀도 재료 (금 밀도 정도), 즉 활성 매체로 만들어진 얇은 와이어가 있습니다. 레이저 펌핑 에너지의 원천은 핵폭발입니다. 폭발 중에 활성 물질은 플라즈마 상태가 됩니다. 플라즈마가 즉시 냉각되면서 연X선 범위에서 간섭성 방사선을 방출합니다. 에너지 농도가 높기 때문에 표적에 부딪힌 방사선은 물질의 폭발적인 증발, 충격파의 형성 및 표적의 파괴로 이어집니다.
따라서 X선 레이저의 작동 원리와 디자인은 그 적용 범위를 명백하게 만듭니다. 설명된 레이저에는 X선 범위에서 사용할 수 없는 공동 거울이 없습니다.
일부 유형의 레이저가 아래 그림에 나와 있습니다.
일부 유형의 레이저: 1-
실험실 레이저; 2-
연속 레이저 켜기;
3
-
구멍을 뚫는 기술 레이저; 4-
강력한 기술 레이저
인구 역전은 동일한 에너지 상태를 가진 원자의 농도입니다. 열역학적 평형에서는 볼츠만 통계를 따릅니다.
원자의 농도는 어디에 있고, 에너지와 에너지 수준에 해당하는 전자의 상태는 입니다.
여기되지 않은 원자의 농도가 여기된 원자의 농도보다 높을 때 값 Δn = 음수이므로 모집단은 정상입니다. 여기된 원자의 농도가 여기되지 않은 원자의 농도보다 높을 때(펌프 에너지에 의해 보장됨) 값 Δn은 양수가 됩니다. 즉, 밀도 반전이 발생하고 여기된 원자로 인해 전송된 방사선이 증폭될 수 있습니다.
공식적으로 절대 음의 온도 T에서 조건 Δn > 0이 충족됩니다.< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.
반도체 레이저에서 전도대와 원자가대의 에너지 준위 모집단 사이의 반전은 pn 접합의 양의 바이어스에서 캐리어를 주입함으로써 달성됩니다.
레이저 증폭
레이저 증폭은 유도 방사선의 사용을 기반으로 하는 광학 방사선의 증폭입니다. 방사선 양자가 여기 상태의 원자에 작용할 때 전자는 방사선 방출과 함께 에너지가 있는 상태에서 에너지가 있는 상태로 전이됩니다. 여기 양자의 에너지와 동일한 에너지를 갖는 양자 hν = – .
방사선이 통과할 때 여기된 원자의 농도가 충분한 매질에서 생성된 광자의 수가 흡수 및 산란으로 인한 손실보다 훨씬 클 경우 증폭 모드를 얻을 수 있습니다.
주입 레이저는 그림 1.3에 나와 있습니다.
쌀. 1.3 반도체 주입 레이저 장치의 구조 (레이저 다이오드)
그림 1에서. 그림 4는 진성 반도체와 불순물 반도체에서 페르미 준위의 위치를 보여줍니다. 페르미 준위의 중요한 특성 중 하나는 n형 및 p형 반도체로 구성된 시스템에서 전압이 가해지지 않으면 페르미 준위가 평준화된다는 것입니다(그림 1.4a). 그리고 서로 다른 전위에 있는 경우 페르미 준위는 전위차만큼 이동합니다(그림 1.4.b).
그림 1. 4. 주입형 반도체 레이저의 에너지 다이어그램: 외부 전압이 인가되지 않은 p-n 접합(a); 순방향으로 외부 전압을 인가할 때 p-n 접합(b). d는 p-n 접합의 너비이고, l은 레이저 작동을 보장하는 영역의 실제 너비입니다.
이 경우, p-n 접합 영역에 반전된 밀도가 생성되고 전자는 전도대에서 원자가대로 전환됩니다(정공과 재결합). 이 경우 광자가 방출됩니다. LED는 이 원리로 작동합니다. 광학 공동 형태로 이러한 광자에 대해 포지티브 피드백이 생성되면 외부 인가 전압의 큰 값에서 pn 접합 영역에서 레이저 생성이 얻어질 수 있습니다. 이 경우, 비평형 운반체의 형성 및 재결합 과정은 혼란스럽게 발생하며 방사선은 출력이 낮고 일관성이 없으며 단색이 아닙니다. 이는 반도체 이미터의 LED 작동 모드에 해당합니다. 전류가 임계값 이상으로 증가하면 방사선이 일관성을 띠고 스펙트럼 폭이 크게 좁아지며 강도가 급격히 증가합니다. 반도체 이미 터의 레이저 작동 모드가 시작됩니다. 동시에 생성된 방사선의 선형 편광 정도도 증가합니다.
그림 1에서. 그림 5는 반도체 레이저의 설계와 출력 방사선의 강도 분포를 개략적으로 보여줍니다. 일반적으로 이러한 레이저에서 공진기는 pn 접합 평면에 수직인 결정의 정반대 두 측면을 연마하여 생성됩니다. 이 평면은 평행하게 만들어지며 높은 정밀도로 연마됩니다. 출구 표면은 방사선이 통과하는 슬릿으로 간주될 수 있습니다. 레이저 방사선의 각도 발산은 이 슬릿에서 방사선의 회절에 의해 결정됩니다. p-n 접합 두께가 20μm이고 폭이 120μm인 경우 각도 발산은 XZ 평면에서 약 60°, YZ 평면에서 10°에 해당합니다.
그림 1. 5. pn 접합 레이저의 개략도. p-n 접합의 1-영역(활성층); XY 평면에 있는 레이저 빔의 2섹션.
현대의 반도체 레이저는 소위 반도체 이종 구조를 널리 사용하며, 이 구조의 개발에 러시아 과학 아카데미 Zh. I. Alferov(2000년 노벨상 수상)가 상당한 공헌을 했습니다. 이종 구조를 기반으로 하는 레이저는 더 높은 출력 전력과 더 낮은 발산과 같은 더 나은 특성을 갖습니다. 이중 헤테로 구조의 예가 그림 1에 나와 있습니다. 1. 6이며, 그 에너지 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 1. 7.
쌀. 1.6. 반도체 이중 헤테로 구조. 1-전기 접촉을 생성하기 위한 전도성 금속층; 2층 GaAs(n); 3층 Al0.3Ga0.7As(n); 전하 캐리어 주입 영역(p-n 접합)에 해당하는 4층; 5층 Al0.3Ga0.7As(p); 6층 GaAs(p); 7 - p-n 접합을 통과하는 전류를 제한하여 방사선 생성 영역을 형성하는 비도전성 금속 산화물 층; 전기적 접촉을 생성하기 위한 8,9-인접 레이어; 방열판이 있는 10개 기판.
쌀. 1.7 이중 헤테로 구조의 에너지 다이어그램, Y 축 및 레이어 번호는 그림 1에 해당합니다. 1. 6. ΔEgc-밴드갭 폭; ΔEgv는 p-n 접합의 밴드 갭입니다.
쌀. 1. 8. 이종구조를 갖는 반도체 레이저: l - 공동 길이
활동적인 환경
활성 매체는 역 모집단이 생성되는 물질입니다. 다양한 유형의 레이저에서는 고체(루비 또는 이트륨 알루미늄 가넷의 결정, 다양한 크기와 모양의 막대 형태의 네오디뮴이 혼합된 유리), 액체(아닐린 염료 용액 또는 네오디뮴 염 용액)일 수 있습니다. 큐벳 내) 및 기체(헬륨과 네온, 아르곤, 이산화탄소, 유리관 내 저압 수증기의 혼합물)입니다. 반도체 재료와 저온 플라즈마, 화학 반응 생성물도 레이저 방사선을 생성합니다. 레이저는 사용되는 활성 매체에 따라 이름이 지정됩니다.
반도체 레이저는 고체이지만 일반적으로 특수 그룹으로 분류됩니다. 이러한 레이저에서는 전자가 전도대의 아래쪽 가장자리에서 가전자대의 위쪽 가장자리로 전이하기 때문에 간섭성 방사선이 생성됩니다.
반도체 레이저에는 두 가지 유형이 있습니다.
첫 번째는 갈륨 비소 GaAs, 카드뮴 황화물 CdS 또는 카드뮴 셀렌화물 CdSe가 반도체로 사용되는 순수한 반도체 웨이퍼입니다.
두 번째 유형의 반도체 레이저(소위 주입 레이저)는 도너 및 억셉터 불순물 농도가 1018-1019인 불순물 반도체로 구성됩니다. 갈륨 비소 GaAs는 주로 주입 레이저에 사용됩니다.
주파수 v에서 반도체의 밀도 역전을 생성하는 조건은 다음과 같은 형식을 갖습니다.
ΔF= - >hv
즉, 반도체 단결정의 방사선이 증폭되기 위해서는 전자와 정공의 페르미 준위 사이의 거리가 빛 양자의 에너지 hv보다 커야 합니다. 주파수가 낮을수록 여기 수준이 낮아지고 역모집단이 달성됩니다.
펌핑 시스템
펌핑은 활성 매체에 역모집단을 생성하며 각 매체에 대해 가장 편리하고 효율적인 펌핑 방법이 선택됩니다. 고체 및 액체 레이저에서는 펄스 램프 또는 레이저가 사용되며, 기체 매체는 방전에 의해 여기되고, 반도체는 전류에 의해 여기됩니다.
반도체 레이저는 전자빔(순수 반도체의 반도체 레이저용)과 직접 전압(주입 반도체 레이저용)을 이용한 펌핑을 사용합니다.
전자빔에 의한 펌핑은 가로(그림 3.1) 또는 세로(그림 3.2)일 수 있습니다. 횡방향 펌핑 중에 반도체 결정의 반대쪽 두 면이 연마되어 광학 공진기의 거울 역할을 합니다. 종방향 펌핑의 경우 외부 거울이 사용됩니다. 종방향 펌핑을 사용하면 반도체 냉각이 크게 향상됩니다. 이러한 레이저의 예로는 황화 카드뮴 레이저가 있는데, 이는 0.49μm 파장의 방사선을 생성하고 약 25%의 효율을 갖습니다.
쌀. 3.1 - 전자빔에 의한 횡방향 펌핑
쌀. 3.2 - 전자빔을 이용한 종방향 펌핑
주입 레이저에는 두 개의 축퇴된 불순물 반도체로 형성된 pn 접합이 있습니다. 순방향 전압을 가하면 pn 접합의 전위 장벽이 낮아지고 전자와 정공이 주입됩니다. 전이 영역에서는 전하 캐리어의 강렬한 재결합이 시작되며, 그 동안 전자가 전도대에서 가전자대로 이동하고 레이저 방사선이 발생합니다(그림 3.3).
쌀. 3.3 - 주입 레이저 설계의 원리
펌핑은 펄스 또는 연속 레이저 작동을 제공합니다.
공명기
공진기는 서로 평행한 한 쌍의 거울로, 그 사이에 활성 매체가 배치됩니다. 하나의 거울(“귀머거리”)은 그 위에 떨어지는 모든 빛을 반사합니다. 두 번째 반투명은 유도 방출을 위해 방사선의 일부를 환경으로 반환하고 일부는 레이저 빔 형태로 외부로 출력됩니다. 전체 내부 프리즘은 종종 "귀머거리" 거울로 사용되며, 유리판 더미는 반투명 거울로 사용됩니다. 또한 거울 사이의 거리를 선택하면 레이저가 엄격하게 정의된 한 가지 유형(소위 모드)의 방사선만 생성하도록 공진기를 구성할 수 있습니다.
모든 유형의 레이저에 널리 사용되는 가장 간단한 광학 공진기는 평면 공진기(Faby-Perot 간섭계)로 서로 떨어져 있는 두 개의 평면 평행판으로 구성됩니다.
하나의 플레이트로 반사 계수가 1에 가까운 반사 거울을 사용할 수 있습니다. 두 번째 판은 생성된 방사선이 공진기를 빠져나갈 수 있도록 반투명해야 합니다. 플레이트 표면의 반사율을 높이기 위해 일반적으로 다층 유전체 반사 코팅이 플레이트에 적용됩니다. 이러한 코팅에는 사실상 빛 흡수가 없습니다. 때로는 반사 코팅이 활성 매체 막대의 평면 평행 끝 부분에 직접 적용됩니다. 그러면 원격 미러가 필요하지 않습니다.
쌀. 4.1. 광학 공진기 유형: a - 평면, b - 프리즘, c - 공초점, d - 반동심, e - 복합, f - 링, g, h - 교차, i - 브래그 거울 포함. 활성 요소는 음영 처리됩니다.
직사각형 프리즘은 광학 공동에서 반사 거울로 사용될 수 있습니다(그림 4.1, b). 이중 전반사의 결과로 프리즘 내부 평면에 수직으로 입사하는 광선은 공진기 축과 평행한 방향으로 프리즘에서 나옵니다.
평판 대신 오목 반투명 거울을 광학 공진기에 사용할 수 있습니다. 초점이 동일한 지점 Ф(그림 4.1, c)에 위치하도록 동일한 곡률 반경을 갖는 두 개의 거울이 공초점 공진기를 형성합니다. 거울 사이의 거리는 l=R이다. 한 거울의 초점이 다른 거울의 표면에 있도록 이 거리를 절반으로 줄이면 공초점 공진기가 얻어집니다.
과학적 연구와 다양한 실제 목적을 위해 거울뿐만 아니라 레이저 방사선의 특성을 제어하고 변경할 수 있는 기타 광학 요소로 구성된 보다 복잡한 공진기가 사용됩니다. 예를 들어, 그림. 4. 1, d. – 4개의 활성 요소에서 생성된 방사선이 합산되는 복합 공진기. 레이저 자이로스코프는 두 개의 빔이 닫힌 파선을 따라 반대 방향으로 전파되는 링 공진기를 사용합니다(그림 4.1e).
컴퓨터 및 통합 모듈의 논리 요소를 생성하기 위해 다중 구성 요소 교차 공진기가 사용됩니다(그림 4.1.g, h). 이는 본질적으로 강력한 광학적 결합을 통해 선택적으로 여기되고 서로 연결될 수 있는 레이저 모음입니다.
특별한 종류의 레이저는 피드백이 분산된 레이저입니다. 기존의 광학 공진기에서는 공진기 거울에서 생성된 방사선이 반사되어 피드백이 설정됩니다. 피드백 분포를 사용하면 광학적으로 불균일한 주기 구조에서 반사가 발생합니다. 그러한 구조의 예로는 회절 격자가 있습니다. 이는 기계적으로 생성되거나(그림 4.1, i) 균질한 매체에 대한 선택적 작용에 의해 생성될 수 있습니다.
다른 공진기 설계도 사용됩니다.
정의에 따라 공진기 요소에는 패시브 및 액티브 셔터, 방사선 변조기, 편광판 및 레이저를 얻는 데 사용되는 기타 광학 요소도 포함되어야 합니다.
캐비티 손실
방사선 생성은 다음과 같이 단순화될 수 있습니다. 레이저의 작동 물질이 공진기에 배치되고 펌핑 시스템이 켜집니다. 외부 여기의 영향으로 역수 수준의 모집단이 생성되고 특정 스펙트럼 범위의 흡수 계수가 0보다 작아집니다. 여기 과정에서 인구 반전이 생성되기 전에도 작동 물질이 발광하기 시작합니다. 활성 매체를 통과하면 자연 방출이 향상됩니다. 이득의 크기는 이득과 활성 매질의 광 경로 길이의 곱에 의해 결정됩니다. 각 유형의 공진기에는 거울의 반사로 인해 광선이 원칙적으로 무한한 횟수로 활성 매체를 통과하도록 선택된 방향이 있습니다. 예를 들어 평면 공진기에서는 공진기 축과 평행하게 전파되는 광선만 활성 매체를 통과할 수 있습니다. 공진기의 축과 비스듬히 거울에 입사하는 다른 모든 광선은 한 번 이상의 반사 후에 공진기에서 나옵니다. 이것이 손실이 나타나는 방식입니다.
공진기에는 여러 유형의 손실이 있습니다.
1. 거울의 손실.
매질에서 생성된 방사선의 일부가 공진기에서 제거되어야 하므로 사용되는 거울(적어도 하나)은 반투명하게 만들어집니다. 거울의 강도 반사 계수가 R1 및 R2와 같으면 공진기의 단위 길이당 복사 출력에 대한 유용한 손실 계수는 다음 공식으로 제공됩니다.
2. 기하학적 손실
빔이 거울 표면에 수직이 아닌 공진기 내부로 전파되는 경우 특정 횟수의 반사 후에 빔은 거울 가장자리에 도달하여 공진기를 떠납니다.
3. 회절 손실.
반경 a의 평면 평행 원형 거울 2개로 구성된 공진기를 생각해 보겠습니다. 파장이 λ인 평행한 방사선 빔이 거울 2에 입사한다고 가정합니다. 빔은 거울에서 반사되는 동시에 d ψ ≒ λ a 차수 각도로 회절됩니다. 특정 공진기에 대한 프레넬 수는 최종 빔 발산이 거울 가장자리를 넘어 방사선 출구 각도에 도달할 때 거울 사이를 통과하는 횟수입니다. ψ=a/L
4. 활성 매체의 불균일성에 의한 산란.
공진기가 활성 매체로 채워지면 추가 손실 원인이 발생합니다. 방사선이 활성 매질을 통과할 때 방사선의 일부는 불균일성과 이물질 함유물에 의해 산란되고 비공진 흡수로 인해 감쇠됩니다. 비공진 흡수는 주어진 매질에 대해 작동하지 않는 레벨 사이의 광학적 전이와 관련된 흡수로 이해됩니다. 여기에는 거울의 에너지 흡수 및 부분 산란과 관련된 손실도 포함될 수 있습니다.
인구 역전 물리학에서, 구성 입자(원자, 분자 등)의 더 높은 에너지 수준이 낮은 입자보다 입자로 더 많이 "밀집"되는 물질 상태(수준 인구 참조). 정상적인 조건(열 평형)에서는 반대 관계가 발생합니다. 즉, 낮은 수준보다 위쪽 수준에 더 적은 입자가 있습니다(볼츠만 통계 참조).
위대한 소련 백과사전. - M.: 소련 백과사전. 1969-1978 .
다른 사전에 "인구 반전"이 무엇인지 확인하십시오.
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현대 백과사전
인구 역전- (라틴어 inversio, 뒤집기, 재배열에서 유래), 물질의 비평형 상태. 일반적인 열 평형 상태와 달리 물질을 구성하는 입자(원자, 분자)의 수가 더 높게... ... 그림 백과사전
인구 역전- 여기(상위) 에너지 레벨에서 구성 입자(전자, 원자, 분자 등)의 밀도(농도)가 평형(하위) 레벨의 밀도보다 높은 물질의 비평형 상태 필수적이다... 대형 폴리테크닉 백과사전
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VA의 비평형 상태는 VA에 포함된 한 유형의 원자(이온, 분자)의 한 쌍의 에너지 준위 중 상위의 밀도가 하위의 밀도를 초과하는 상태입니다. 나. 그리고. 레이저 및 기타 양자 장치 작동의 기초가 됩니다. ... 자연 과학. 백과사전
레이저의 작동 원리를 설명하는 데 사용되는 물리학 및 통계 역학의 기본 개념 중 하나입니다. 목차 1 볼츠만 분포와 열역학적 평형 ... 위키피디아
전자 모집단의 역전은 레이저 작동 원리를 설명하는 데 사용되는 물리학 및 통계 역학의 기본 개념 중 하나입니다. 목차 1 볼츠만 분포와 열역학적 평형 ... 위키피디아
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혼란스러운 열 운동 중에는 원자 간의 에너지 분포가 고르지 않습니다. 일부 원자는 들뜨게 되는데, 이는 원자가 지상 수준보다 더 높은 에너지 수준에 있다는 것을 의미합니다. 열 평형 조건과 외부 전자기장이 없는 경우 대부분의 원자는 최소 에너지를 갖습니다. 비유적으로 말하면, 상위 계층의 인구는 하위 계층의 인구보다 적습니다.
에너지 영향(온도 증가, 조명, 빠른 입자에 의한 충격)의 영향으로 여기된 원자의 비율이 증가합니다. 즉, 상위 수준의 인구가 증가합니다. 이 프로세스는 그림 102의 a, b에 설명되어 있습니다.
온도가 증가함에 따라 상위 레벨의 인구가 하위 레벨의 인구보다 더 많은 레벨 사이에서 입자 분포를 얻는 것이 가능한 것처럼 보입니다. 그러나 그것은 사실이 아닙니다. 결국 들뜬 상태는 불안정하다. 상위층의 인구가 증가할수록 방사선을 동반하는 자연천이의 확률도 높아진다.
1939년에 소련 물리학자 V.A. Fabrikant는 여기된 원자의 수가 바닥 상태의 원자 수보다 더 많은 에너지에 의한 입자 분포를 생성할 가능성을 제안했습니다(그림 102, c). 이 상태를 인구 수준이 반대인 상태(라틴어 inversio - Turn over에서 유래)라고 합니다.
인구 수준이 반전된 상태에 내재된 특별한 속성이 무엇인지 알아봅시다.
빛이 물질을 통해 전파되면 일반적으로 빛이 흡수됩니다. 이는 열역학적 평형 상태에서 물질의 여기되지 않은 원자의 수가 여기된 원자의 수보다 훨씬 많기 때문에 발생하므로 광자는 여기되지 않은 원자와 더 자주 상호 작용합니다. 즉, 물질에 흡수됩니다.
반전된 준위 모집단을 갖는 물질에서는 여기된 원자의 수가 여기되지 않은 원자의 수보다 많습니다. 이 경우, 광자가 여기되지 않은 원자와 만날 확률은 감소합니다. 즉, 광자 흡수 확률이 감소합니다. 물질은 더욱 투명해지거나 빛을 증폭시킬 수도 있습니다. 실제로 광자가 그 안에서 움직이면 그 에너지는 상태의 원자 에너지 차이와 정확히 같고 (그림 102, c) 여기 원자와 상호 작용하면 그러한 광자는 자극을 유발합니다 방사. 결과적으로 동일한 유형의 두 번째 광자가 나타납니다. 다른 두 개의 여기된 원자와 상호작용함으로써 이 두 광자는 두 개의 원자가 더 빛을 방출하게 만듭니다. 결국 물질에서는 광자 한 개가 아닌 많은 광자가 방출되는데, 이는 빛의 증폭이다. 빛의 증폭은 주파수를 가진 광자가
물질에 약하게 흡수됩니다. 유도된 광자의 수가 흡수된 광자의 수를 초과하는 경우 매체를 활성이라고 합니다.
인구 수준이 반전된 미디어의 이러한 특징은 1951년 V. A. Fabrikant, M. M. Vudynsky 및 F. A. Butaeva에 의해 확립되었습니다.
1964년에 국가 발명 및 발견 위원회는 이 과학자들에게 발견에 대한 졸업장을 발급했습니다. 특히 다음과 같이 명시되어 있습니다. “입자 또는 그 시스템의 농도가 매질을 통과할 때 전자파가 증폭되는 이전에 알려지지 않은 현상 여기 상태에 해당하는 상위 에너지 수준이 확립되어 평형 상태의 농도에 비해 과도합니다.”
언뜻 보기에 밀도 반전은 두 가지 에너지 수준 E 1 및 E 2 >E 1을 갖는 매질에서 생성될 수 있습니다. 예를 들어, 이는 매질에 주파수 의 광자를 조사하여 수행할 수 있습니다. 왜냐하면 정상적인 조건에서 N 2
그러나 인구가 N 2 = N 1과 같은 것으로 판명되면 자극 방출 및 흡수 과정이 서로 보상되며 반전을 생성하는 것이 불가능합니다.
따라서 레이저의 경우 입자가 2개 레벨이 아닌 3개 또는 4개 레벨을 차지할 수 있는 매체가 사용됩니다.
3레벨 시스템(그림)의 경우 레벨 E 2는 준안정적이어야 합니다. 이 수준에서 입자의 수명은 여기 상태의 다른 수준에서의 수명보다 훨씬 깁니다. 이는 W21을 의미합니다.<
4레벨 시스템의 경우 레벨 E 2는 준안정이고 W 21은 준안정입니다.<
