О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 9

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

-   активного середовища;

-   системи накачування;

-   резонатора.

1.  У цьому розділі була розглянута взаємодія випромінювання з речовиною, тобто процеси, що проходять в активному сере­довищі. Далі розглянемо системи накачування, резонатори та методи створення інверсної заселеності.У чому відмінність принципів роботи приладів класичної електроніки і приладів квантової електроніки?

2.  Поясніть сутність енергетичного спектра атомів (моле­кул), стаціонарних, основних та збуджених станів.

3.  Наведіть відмінності в рівняннях Шредингера для загаль­ного та стаціонарного випадків.

4.  Дайте визначення спонтанних переходів, поясніть їх осо­бливості.

5.  Наведіть властивості спонтанного випромінювання, по­ясніть його особливості.

6.  Дайте визначення вимушених переходів, поясніть їх види та особливості.

7.  Наведіть властивості вимушеного випромінювання, по­ясніть його особливості.

8.  Безвипромінювальні переходи, їх особливості.

9.  Дозволені та заборонені переходи, їх особливості.

 

10.  Опишіть властивості системи, що знаходиться в умовах термодинамічної рівноваги.

11.  Запишіть формулу енергетичного балансу замкненої квантової системи, що знаходиться в умовах термодинамічної рівноваги, при поглинанні та випромінюванні електромагнітних хвиль.

12.  Запишіть формулу Планка для рівноважного випромі­нювання абсолютно чорного тіла, поясніть її фізичний зміст.

13.  Запишіть формулу, що зв'язує коефіцієнти Ейнштейна для вимушеного та спонтанного випромінювань, наведіть ви­сновки, які випливають з її аналізу.

14.  Наведіть критерії виродження систем у квантовомехані-чну та класичну.

15.  Дайте визначення електричного диполя, його моменту, осцилятора.Знайдіть співвідношення для часу релаксації класичного осцилятора.

16.  У чому відмінність класичного осцилятора від квантово­го осцилятора?

17.  Дайте визначення та охарактеризуйте властивості мета­стабільного рівня, в концепції теорії збурень.

18.  Охарактеризуйте дозволені та заборонені переходи, чим вони визначаються, їх імовірність в електродипольному та ма-гнітодипольному наближеннях.

19.  Поясніть явище радіаційної або природної ширини спе­ктральної лінії.

20.  Дайте визначення спектральної лінії, форм-фактора спектральної лінії, ширини спектральної лінії, добротності спе­ктральної лінії.

21.  Поясніть фізику процесів виникнення доплерівського розширення спектральної лінії.

22.  Поясніть поняття однорідного та неоднорідного розши­рень, наведіть приклади відповідних механізмів, що приводять до них.

23.  Наведіть спрощені формули, якими можна замінити зшивку функцій у випадках тільки однорідного розширення та тільки неоднорідного розширення спектральної лінії.

24.  Перелічіть основні причини, що істотно впливають на ширину спектральної лінії.

25.  Визначте та перелічіть фізичні явища, що призводять до однорідного та неоднорідного розширень спектральних ліній у різних середовищах.

26.  Поясніть, в чому відмінність інтегральних та спектраль­них коефіцієнтів Ейнштена.

27.  Охарактеризуйте спін-решіткову та спін-спінову рела­ксації в безвипромінювальних переходах.

28.  Дайте визначення розсіюванню світла. В яких середови­щах відбувається цей процес?Охарактеризуйте процес, що має назву релєївського розсіювання світла, наведіть енергетичну діаграму.

29.  Охарактеризуйте процес, що має назву комптонівського розсіювання світла, наведіть енергетичну діаграму.

30.  Охарактеризуйте процес, що має назву комбінаційного розсіювання світла, наведіть енергетичну діаграму.

31.  Охарактеризуйте два випадки комбінаційного розсіюва­ння світла.

32.  Поясніть та охарактеризуйте процес двофотонного по­глинання.

33.  Дайте визначення заселеності енергетичного рівня та ін­версійної заселеності у випадках вироджених та невироджених рівнів.

36.   Охарактеризуйте від'ємну температуру, особливості
стану з від'ємною температурою, отримайте її вираз у рамках
дворівневої схеми.

37. Дайте визначення поняття активноїречовини, або актив­ного середовища.

38. Назвіть необхідну та достатню умови створення підси­лення електромагнітного випромінювання в активному середо­вищі.

39.   Наведіть та поясніть закон Бугера-Ламберта-Бера,
умови його застосування, фізичне значення коефіцієнтів погли-
нання та підсилення.

40.  Дайте визначення перетину поглинання, або поперечни­ка поглинання.

41.  Охарактеризуйте активне середовище в стані насичення, поясніть суть цього поняття.

42.  Наведіть вираз для інтенсивності насичення, поясніть її фізичний зміст.

43.  Запишіть умову самозбудження квантового генератора.

Зобразіть принципову схему квантового генератора, ко­ротко охарактеризуйте основні елементи.Розділ 3

АКТИВНІ КВАНТОВІ РЕЧОВИНИ І СТВОРЕННЯ У НИХ СТАНУ ІНВЕРСІЙНОЇ ЗАСЕЛЕНОСТ!

3.1.   Енергетичні стани робочих речовин квантових при­ладів. Квантові числа

 

Раніше було показано, що середовище може підсилювати електромагнітне випромінювання, якщо в ньому створена ін­версійна заселеність (або іншими словами від'ємна темпе­ратура). Такий стан активної речовини досягається в термоди­намічних і нерівноважних системах за допомогою накачування активного середовища енергією.

Робочі речовини (атомні, іонні, молекулярні системи), що використовуються у квантових приладах, характеризуються великою різноманітністю і можуть перебувати в різних агрега­тних станах газоподібних, твердих і рідких.

Квантовими системами називають системи, що складаю­ться з мікрочастинок (електронів, ядер, атомів, молекул і т.д.) і підпорядковуются квантовим законам.

Нагадаємо, що стан квантової системи вважається повні­стю заданим, якщо відома його хвильова функція. Зміна енергії системи супроводжується квантовим переходом стрибкопо­дібним переходом квантової системи з одного рівня енергії Ei на інший Ej. За умови Ei > Ej система віддає енергію, що до­рівнює Ej Ei, а в другому випадку Ei < Ej вона погли­нає її. Якщо такий квантовий перехід відбувається при взаємо­дії з електромагнітним полем, тобто супроводжується випромі­нюванням або поглинанням фотона, то він називається опти­чним переходом, а енергія випроміненого (поглиненого) фотона визначається відомим правилом Бора

 

(3.1)Для повного визначення стаціонарного стану електрона в атомі необхідно стільки квантових чисел, скільки ступенів сво­боди має електрон, тобто з урахуванням спіну необхідно чоти­ри квантових числа. Для атомів з одним валентним електро­ном стан електрона однозначно визначає і стан самого атома. У багатоелектронних атомах та іонах він описується сумарними квантовими числами, що залежать від типу взаємодії між еле­ктронами. Для атомів з невеликою кількістю електронів, напри­клад для атомів He, справедлива схема LS-зв'язку, для багато-електронних атомів, наприклад атоми Ne, LJ-зв'язку.

У табл. 3.1 [31] наведені квантові числа електрона й атома, їх значення та фізичний зміст. Такі класифікації атомних рівнів базуються на положенні, що орбітальні моменти електронів до­даються в повний орбітальний момент L атома, а їх спінові мо­менти у повний спін S. Відповідний тип взаємодії, коли така класифікація виявляється справедливою, називають нормаль­ним, або LS-зв'язком.

Енергія атома визначається в основному його сумарним ор­бітальним і спіновим моментами. Енергетичний стан атома із заданими квантовими числами L і S називають спектральним термом. Кожний терм вироджений відповідно різними можли­вими напрямками векторів L і S у просторі. Кратність виродже­ння дорівнює (2L + 1)(2S + 1).
3.2.   Створення інверсних станів у газових середовищах

 

Розглянемо основні методи накачування для здійснення ін­версійної заселеності в газових середовищах.

Якщо квантовим середовищем є газ (атомний, іонний або молекулярний), то для створення інверсійної заселеності в оптичному діапазоні широко використовуються процеси не-пружної взаємодії частинок у газовому розряді. Цей ме­тод застосовується в газорозрядних лазерах, де збудження активних атомів і молекул здійснюється за рахунок непружних зіткнень, що приводять до обміну енергією частинок (вільних електронів, атомів, молекул, іонів) в області газового розряду.


Крім цього, інверсійна заселеність може бути отримана при сортуванні газових атомних i молекулярних пучків у пері­одичних електричних та магнітних полях. Такі поля можуть бу­ти створені у спеціальних пристроях (рис. 3.1): квадрупольних конденсаторах і багатополюсних магнітних системах.

Цей метод використовується у приладах НВЧ-діапазону, пучкових лазерах та мазерах. Молекули робочої речовини, що перебувають у термодинамічній рівновазі, в основному і збу­дженому станах (ДЕ = (E2 - Ег) kT), просторово розподі­ляються так, щоб у робочий об'єм потрапляли тільки збудже­ні молекули. Незбуджені молекули виводяться з робочого пу­чка. Такий розподіл можливий унаслідок того, що дєякі моле­кули (наприклад, молекули аміаку), перебуваючи в основному i збудженому станах, по-різному реагують із зовнішніми еле­ктричними й магнітними полями.

Газодинамічний метод створення інверсних станів зна­йшов застосування у газових лазерах і полягає в тому, що ро­бочий газ, нагрітий до високої температури, швидко охолоджу­ється. Оскільки час релаксації при встановленні термодинамі­чної рівноваги різний, то при швидкій зміні температури газу на деяких переходах виникає від'ємна температура.

Крім того, інверсійну заселеність у газових середовищах можна одержати за допомогою хімічної реакції. У цьому ра­зі звичайно використовуються екзотермічні реакції заміщення вигляду

A + (BC) <=> (AB)* + C,

що приводять до утворення нової збудженої молекули. Прикла­ди найбільш поширених у лазерах реакцій заміщення:

F + H2 HF * + H,

F + D2 DF * + D,

H + CI2 HCl* + Cl,

Cl + HJ HCl* + J.

 

Реакція може бути ініційована зовнішнім джерелом або проходити без нього. Розрізняють такі способи ініціювання хі­мічних реакцій: фотоініціювання, теплове ініціювання, ініціюва­ння електронним пучком або імпульсом в електронному розря­ді, чи навіть вибухом.3.3.   Створення інверсійної заселеності у напівпровідни-

ках

 

Серед різноманітності речовин, що можуть бути використані як активна речовина оптичних квантових генераторiв, важливе місцє займають напівпровідники.

Енергетичний спектр ідеального напівпровідникового кри­стала складається із широких смуг дозволених станів електро­нів зони провідності та валентної зони, що розділені зоною заборонених станів (заборонена зона). За рахунок стовідсотко­вої концентрації робочих частинок на малих відстанях (порядку часток нанометрів) розширення рівнів настільки велике, що й у валентній зоні, і в зоні провідності енергетичні стани електронів утворюють практично безперервний спектр.

За умов термодинамічної рівноваги розподіл електронів за енергетичними станами описується функцією Фермі-Дірака [18]:)"'


(3.2)де функція fe(E) ймовірність того, що електрон знаходи­ться у стані з енергією E; цР енергія, або рівень Фермі, що є основним параметром, який визначає енергетичний розподіл електронів та дірок у напівпровіднику.

!мовірність знайти на даному рівні з енергією E дірку дорів­нюватиме ймовірності відсутності на цьому рівні електрона:)"'


(3.3)Рівень Фермі має такі основні властивості: по-перше, з рів­нем Фермі збігається енергетичний рівень, імовірність запов­нення якого дорівнює одиниці; по-друге, рівень Фермі це хімічний потенціал електронів даної системи. Положення рів­ня Фермі залежить від типу напівпровідника, кількості домі­шок та температури. У власному напівпровіднику рівень Фермі при абсолютному нулі проходить посередині забороненої зони (рис. 3.2 а). У домішковому слаболегованому напівпровіднику n - типу при T = 0 рівень Фермі проходить посередині між дном зони провідності та донорним рівнем (рис. 3.2б). Зі збільшен­ням температури рівень Фермі спочатку зростає, а потім падає, прямуючи до середини забороненої зони. У домішковому сла-болегованому напівпровіднику p-типу при T = 0 рівень Фер­мі проходить посередині між верхньою межею валентної зони та акцепторним рівнем (рис. 3.2 в); зі збільшенням температу­ри він спочатку падає, а потім зростає, прямуючи до середини забороненої зони.

Однією із властивостей енергетичного рівня Фермі є те, що в системі, яка складається із декількох напівпровідників n- і p - типів, що знаходяться в тепловій рівновазі, енергетичний рівень Фермі для них буде однаковим. Тоді у випадку p n-переходу, тобто коли матеріал n-типу контактує з матеріалом p-типу, рівень Фермі буде однаковим для p- та n-областей. То­му на межі розділу областей різного типу виникає потенційний бар'єр (рис. 3.3).

У сильнолегованих вироджених напівпровідниках, де забез­печується висока провідність, рівень Фермі знаходиться у зоні провідності для матеріалу n- типу й у валентній зоні для матері­алу p-типу (рис. 3.3 б). Це означає, що у верхній частині вален­тної зони у p-області електронів немає (висока густина дірок), а вище дна зони провідності у n-області маємо дуже високу гу­стину електронів. Однак, незважаючи на велику різницю у гу­стині електронів, у рівноважному стані струму немає.

Для напівпровідників, що не знаходяться у тепловій рів­новазі, розподіл електронів та дірок за енергетичними стана­ми описується функціями, аналогічними (3.2), (3.3), але замість енергетичного рівня Фермі потрібно ввести квазірівні рРє, pFp
відповідно для електронів та дірок.

Квазірівень Фермі це формальне поняття, що вводиться для того, щоб охарактеризувати повні концентрації носіїв стру­му (рівноважні та нерівноважні) в енергетичних станах.

Умова отримання інверсійної заселеності у напівпровідни­кових матеріалах залежить від типу переходу (наприклад, зона­
зона, зона-домішка, переходи між рівнями домішок та пере­ходи між рівнями розмірного квантування, що належать одній зоні, або внутрішньозонні переходи). Практично у всіх створе­них напівпровідникових лазерах використовуються міжзональ­ні переходи, що супроводжуються або рекомбінацією електро­нів зони провідності з дірками валентної зони, або генерацією електронно-діркових пар.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка