|
А
е
А
е
.
Если энергия электрона больше энергии возбуждения, то атом А перейдет в
возбужденное состояние, т. е. процесс носит пороговый характер.
2)
Ступенчатое электронное возбуждение.
Электрон может столкнуться с атомом, который уже перешел в возбужденное
состояние прямым электронным столкновением и перевести его на более высокий
уровень.
А
е
А
е
.
3)
Передача возбуждения.
Если происходит соударение атома одного газа, в возбужденном состоянии, с
атомом другого газа, в основном состоянии, то возможна передача энергии от одного
атома к другому, при этом атом, первоначально находящийся в основном состоянии,
переходит в возбужденное, а атом, находящийся в возбужденном состоянии переходит в
основное.
В
А
В
А
.
Этот процесс идет тем эффективнее, чем более близки возбужденные уровни атома
В и А.
Газовый лазер на смеси гелия и неона.
Газовые лазеры конструктивно выполняются в виде газоразрядной трубки,
стеклянной или кварцевой, диаметром несколько миллиметров, длиной от 10мм до
нескольких метров, откачены и наполнены газом или смесью газа.
Газоразрядная трубка помещается в резонатор. Резонатор образован двумя
параллельными зеркалами, глухим и выходным. Торцы трубки закрыты кварцевыми
окнами, расположенными под углом Брюстера. На электроны подается высокое
напряжение и возникает газовый разряд. Разряд может быть импульсным. Причем, время
нарастания импульса должно быть короче времени установления равновесия в плазме.
Если фронт нарастания токового импульса не достаточно крутой, то плазма успевает
достичь равновесного состояния, плотность тока – 10
3
А/см
2
.
Стационарный разряд.
Он может быть тлеющим и дуговым. Тлеющий характеризуется небольшой
плотностью тока, 10
-5
÷ 10
-1
А/см
2
. Может быть постоянным или высокочастотным.
Дуговой используется для мощных лазеров, плотность достигает 10
3
А/см
2
.
Гелий-неоновый лазер работает на тлеющем разряде, рабочим газом является неон.
Но вероятность возбуждения атомов неона, за счет прямого электронного удара , очень
мала, поэтому газоразрядную трубку вводится дополнительный буферный газ гелия,
вероятность возбуждения, которого электронным ударом, очень высока.
Атомы гелия, при столкновения с атомами неона, передают энергию возбуждения 3s
и 2s состояния.
Могут возникать излучения, с длинами волн – 3,39, переход – 3s и 3p; 1,15 переход –
2s и 2p и 0,63 переход – 3s и 2p.
Переход 2p и 1s – традиционный распад;
переход 1s и s
o
– запрещенный.
Состояние 1s является метастабильным и чтобы перейти в основное состояние s
о
,
атом должен ударится об стенку газоразрядной трубки. Поэтому газоразрядная трубка не
может быть большого диаметра.
Мощность генерации лазера зависит от величины разрядного тока, от общего
давления газовой смеси, от соотношения между компонентами смеси и диаметром
газоразрядной трубки.
Мощность генерации лазера с величиной разрядного тока, сначала растет, т. к.
растет плотность электрона в плазме, и следовательно, увеличивается число
возбужденных атомов гелия и неона, связанных с прямым электронным возбуждением.
При больших плотностях тока, начинает играть роль ступенчатое возбуждение уровня 3р
и 2р, т. е. нижних рабочих уровней. Разность населенности уменьшается, и мощность
генерации падает. С повышением общего давления, растет общее число атомов неона и
гелия, но затем начинает играть роль уменьшение эффективной электронной
температуры, т. е. электроны не могут набрать высокую энергию из-за столкновения с
атомами гелия и неона.
Атомное соотношение пропорционального гелия и неона 5 ÷ 1 ÷ 15 ÷ 1.
Газовый лазер на молекуле СО
2
.
Молекула СО
2
состоит из одного атома С и двух атомов О. Если в атомарном
лазерном состоянии рабочими уровнями являются возбужденные электронные состояния,
то в молекулярном лазере рабочими уровнями являются колебательные состояния
молекулы.
В молекуле СО
2
, могут существовать колебания:
1) Колебание атомов О, а атомы С не подвижны.
2) Колебание атомов С и О в противоположном направлении.
4)
Смещение атомов О в одном направлении, а С – в другом.
Эти колебательные состояния образуют систему уровней молекулярного лазера СО
2
.
Газоразрядная трубка заполняется смесью газа СО
2
и N
2
. Азот является буферным
газом. На электрон подается постоянное напряжение, возникает дуговой разряд, и в
результате получаем мощное лазерное излучение, с длиной волны 10,6 мкм.
Инфракрасное излучение поглощается атмосферой, но излучение СО
2
лазера
попадает в окно прозрачности, и может распространяться на большие расстояния.
Мощность СО
2
лазера достигает нескольких кВт, и может использоваться в
промышленности, для обработки металла.
В результате распада молекул
2
СО
необходимо все время заменять рабочее
вещество, то есть осуществлять прокачку углекислого газа. После того, как изобрели
катализаторы, ускоряющие процессы восстановления молекул
2
СО , появились отпаянные
лазеры, то есть газ был заключен в замкнутый объем, и лазер мог работать длительное
время.
На основе
2
СО -лазеров были созданы так называемые газодинамические лазеры,
принцип действия которых заключается в следующем. В результате очень быстрого
адиабатического охлаждения нагретый газ переходит в инверсное состояние, то есть
число возбужденных молекул превышает число молекул, находящихся в основном
состоянии. Этот газ помещается между зеркалами резонатора и в резонаторе возникает
лазерная генерация.
3.3 Полупроводниковые лазеры.
Полупроводниковые лазеры имеют малые размеры, высокий КПД (до 60%) и
высокое быстродействие.
Создадим полупроводник таким образом, чтобы тип проводимости образца
менялся с электронной на дырочную.
По одну сторону будет полупроводник n-типа, по другую – p-типа. Как только
образуется переход через него, начинается диффузия электронов из n-области в p-область
и диффузия дырок из p-области в n-область. p-область получает вблизи границы
объемный отрицательный заряд, а n-область – положительный заряд. Заряды создают
электрическое поле, которое препятствует и совсем останавливает диффузию. В
результате это поле приводит к смещению электронных уровней и образуется
потенциальный барьер.
Если к образцу приложить внешнее напряжение таким образом, чтобы уменьшить
внутреннее контактное поле, то потенциальный барьер уменьшится. Теперь электронный
квазиуровень n-области лежит выше, над зоной проводимости в
p-области, поэтому
электроны из n-области могут переходить в зону проводимости p-области и таким образом
происходит инжекция электронов в p-области. Затем эти электроны рекомбинируют с
дырками в валентной зоне с испусканием квантового излучения. Точно также могут
переходить и дырки из p-области в n-область, и тогда рекомбинация происходит в n-
области. Таким образом, мы получили спонтанное излучение, ненаправленное и
некогерентное, то есть мы получили светодиод.
Рассмотрим инжекционный лазер на основе GaAs. GaAs – это серый хрупкий
кристалл,
Do'stlaringiz bilan baham: |
