Файл: ОТВЕТЫ на 1 модуль.doc

- Крiм того, iнверсiйну заселенiсть у газових середовищах можна одержати за допомогою хiмiчної реакцiї. У цьому разi звичайно використовуються екзотермiчнi реакцiї замiщення вигляду

20. Надайте визначення робочої речовини або активного середовища. Перелічите та коротко

поясніть методи створення інверсійної населеності в напівпровіднику.

Середовище може пiдсилювати електромагнiтне випромiнювання, якщо в ньому створена iнверсiйна заселенiсть (або iншими словами – вiд’ємна температура). Такий стан активної речовини досягається в термодинамiчних i нерiвноважних системах за допомогою накачування активного середовища енергiєю.

Робочi речовини (атомнi, iоннi, молекулярнi системи), що використовуються у квантових приладах, характеризуються великою рiзноманiтнiстю i можуть перебувати в рiзних агрегатних станах – газоподiбних, твердих i рiдких.

Умова отримання iнверсiйної заселеностi у напiвпровiдникових матерiалах залежить вiд типу переходу (наприклад, зона- зона, зона-домiшка, переходи мiж рiвнями домiшок та переходи мiж рiвнями розмiрного квантування, що належать однiй зонi, або внутрiшньозоннi переходи).

Для створення iнверсiйної заселеностi у напiвпровiдниках широко використовують такi методи: оптичне накачування, збудження пучком швидких електронiв, пряме електричне збудження, iнжекцiя носiїв заряду через p-n - перехiд i т.д.

- При оптичному накачуваннi iнтенсивний свiтловий потiк спрямований на поверхню напiвпровiдника. За умови hνn > ∆E (νn – частота сигналу накачування) електрони iз валентної зони переходять до зони провiдностi, що призводить до 84 порушення рiвноважного стану в робочiй речовинi.

- Якщо на поверхню напiвпровiдника направити пучок електронiв з енергiєю порядку 20 000еВ, то у тонкому поверхневому шарi виникає велика кiлькiсть пар електрондiрка. З краю зони провiдностi збираються електрони, а з краю валентної зони – дiрки. В результатi рекомбiнацiї виникає лазерне випромi- нювання. Можливiсть сканування i високоефективної модуляцiї лазерного випромiнювання – однi iз переваг такого методу збудження.

- При розмiщеннi напiвпровiдника у сильному електрично- му полi (порядку 105В/см) у ньому утворюються нерiвноважнi електрони i дiрки вiдповiдно у зонi провiдностi та валентнiй зонi. Це вiдбувається або за рахунок ударної iонiзацiї, або за рахунок вiдриву електронiв i дiрок електричним полем.

---

- Метод iнжекцiї носiїв заряду через p - n - перехiд. У цьому випадку використовується p - n - перехiд у вироджених напiвпровiдниках.

21. Надайте визначення робочої речовини або активного середовища. Перелічите та коротко

поясніть методи створення інверсійної населеності в кристалах та стеклах.

Середовище може пiдсилювати електромагнiтне випромiнювання, якщо в ньому створена iнверсiйна заселенiсть (або iншими словами – вiд’ємна температура). Такий стан активної речовини досягається в термодинамiчних i нерiвноважних системах за допомогою накачування активного середовища енергiєю.

Робочi речовини (атомнi, iоннi, молекулярнi системи), що використовуються у квантових приладах, характеризуються великою рiзноманiтнiстю i можуть перебувати в рiзних агрегатних станах – газоподiбних, твердих i рiдких.

Розглянемо метод накачування додатковим випромiнюванням (оптичне накачування). Цей метод є найбiльш унiверсальним i використовується для накачування твердотiльних лазерiв на парамагнiтних кристалах, склi, для рiдинних лазерiв, також може застосовуватись у напiвпровiдникових i газових лазерах. Сутнiсть методу полягає у тому, що активну речовину опромiнюють потужним електромагнiтним випромiнюванням, яке має назву випромiнювання накачування.

Це випромiнювання пiдбирають таким чином, щоб воно поглиналось активною речовиною, яка переводить активнi центри з основного стану до збудженого. Джерелом накачування в оптичному дiапазонi можуть бути рiзноманiтнi джерела свiтла, у тому числi й звичайнi лампи нагрiвання, спецiальнi потужнi ксеноновi лампи-спалаху, ртутнi лампи, напiвпровiдниковi дiоди, джерела сонячного випромiнювання та iншi.

22. Поясніть механізм створення інверсійної населеності та генерування фотонів в трьох-

рівневій схемі першого типу.

Залежно вiд того, мiж якими рiвнями досягається iнверсiйна заселенiсть, розрiзняють трирiвневi схеми першого i другого типiв. У схемах першого типу робочий перехiд закiнчується в основному станi, а у схемах другого типу – у збудженому. Накачування за можливiстю здiйснюється селективно на рiвень E3.

Якщо в трьохрiвневiй схемi першого типу дiє сигнал допомiжного випромiнювання iз частотою, рівною частотi переходу мiж рiвнями 1 i 3 (ν13), то змiна населеностi цих рiвнiв описується системою рiвнянь

---

де ωnm = Snm + Anm – в даному випадку є швидкістю розпадання вiдповiдних рiвнiв за рахунок безвипромiнювальних та спонтанних переходiв. Оскiльки сума всiх трьох рiвнiв при будь-якому розподiлi частинок за рiвнями залишається постiйною, то N = N1 + N2 + N3.

23. Поясніть механізм створення інверсійної населеності та генерування фотонів в трьох-

рівневій схемі другого типу.

Залежно вiд того, мiж якими рiвнями досягається iнверсiйна заселенiсть, розрiзняють трирiвневi схеми першого i другого типiв. У схемах першого типу робочий перехiд закiнчується в основному станi, а у схемах другого типу – у збудженому. Накачування за можливiстю здiйснюється селективно на рiвень E3.

Якщо в трьохрiвневiй схемi першого типу дiє сигнал допомiжного випромiнювання iз частотою, рівною частотi переходу мiж рiвнями 1 i 3 (ν13), то змiна населеностi цих рiвнiв описується системою рiвнянь

де ωnm = Snm + Anm – в даному випадку є швидкістю розпадання вiдповiдних рiвнiв за рахунок безвипромiнювальних та спонтанних переходiв. Оскiльки сума всiх трьох рiвнiв при будь-якому розподiлi частинок за рiвнями залишається постiйною, то N = N1 + N2 + N3.

24. Поясніть механізм створення інверсійної населеності та генерування фотонів в чотирьох-

рівневій схемі, поясніть її переваги порівняно з трьох-рівневою схемою.

25. Метод кінетичних рівнянь (швидкісних рівнянь). Запишіть систему кінетичних рівнянь для

будь-якої трьох-рівневої схеми.

Квантовi переходи мiж енергетичними станами в першо- му наближеннi теорiї збурень можуть описуватися кiнетичними рiвняннями [17]. Також вони отримали назву швидкiсних рiв- нянь, або рiвнянь балансу. За допомогою методу кiнетичних рiвнянь можна вирiшити цiлий ряд завдань: накачування речо- вини в стацiонарному режимi; визначення типiв коливань ла- зерного випромiнювання уздовж поздовжньої осi резонатора; розрахунок ширини лiнiї лазерного випромiнювання; отриман- ня умов для генерацiї лазерiв та динамiку генерацiї гiгантського iмпульсу та iншi. Потрiбно вiдмiтити, що кiнетичнi рiвняння описують змiну в часi середнiх значень кiлькостi квантiв та заселеностей станiв квантових рiвнiв. При аналiзi умов отримання iнверсiйної засе- леностi розглядаються тiльки початковi та кiнцевi стани основ- них квантових переходiв. Кожна зi схем, що розглядається, є спрощенням, яке дозволяє враховувати лише основнi явища.

---

У трирiвневiй системi можна досягти iнверсiй- ну заселенiсть мiж рiвнями 2 та 1 за умови, що ω32 > ω21 та гу- стина випромiнювання накачування перевищить порогове зна- чення, при якому N2 = N1.

26. Метод кінетичних рівнянь (швидкісних рівнянь). Запишіть систему кінетичних рівнянь для

чотирьох-рівневої схеми.

Запишіть систему кінетичних рівнянь для чотирьох рівневої схеми.

У чотирирiвневiй схемi канали генерацiї та накачування повнiстю роздiленi, що дозволяє отримати iнверсiйну заселенiсть при мiнiмальних рiвнях накачування.

Iнверсiйна заселенiсть мiж E3 i E2 досягається, коли ω₂₁ω₄₃ > [ω₄₂(ω₃₁ + ω₃₂) + ω₃₂ω₄₃] g₃ g₂

За рахунок iнтенсивних вимушених переходiв з випромiнюванням у каналi генерацiї 3 ↔ 2 значення N3 буде зменшуватися, а N2 – зростати, приводячи до насичення коефiцiєнта пiдсилення. Необхiдно зазначити деякi моменти, що належать як до три- рiвневих схем, так i до чотирирiвневих. 1. Для виключення термiчного виродження необхiдно, щоб енергетичнi вiдстанi мiж рiвнями E4 − E3 i E2 − E1 були бiльшi за kT. Однак вони не повиннi бути занадто великими, оскiльки в протилежному випадку бiльша частина енергiї накачування ви- трачатиметься даремно. Це призведе до зменшення ККД у межах η < E3−E2 E4−E1 i розiгрiвання активної речовини, або до випадку коли надлишкова енергiя при релаксацiйних процесах видiлятиметься у виглядi тепла. 2. При оптичному накачуваннi, коли джерело накачування випромiнює в широкiй областi спектра, необхiдно, щоб верхнiй рiвень E4 був достатньо широким. Це необхiдно для бiльш повного використання енергiї накачування. 3. Для виключення самопоглинання, що призводить до переходiв E1 → E2 i E3 → E2, бажано, щоб релаксацiйнi процеси вiдбувалися за рахунок неоптичних безвипромiнювальних переходiв. 4. Час життя на верхньому лазерному рiвнi E3 повинен визначатися випромiнювальними процесами, а ймовiрнiсть безвипромiнювальних переходiв iз цього рiвня має бути мiнiмальною.

27. Монохроматичність лазерного випромінювання.

Монохроматичнiсть характеризує ступiнь концентрацiї випромiнювання за спектром, або здатнiсть лазера випромiнювати у вузькому дiапазонi частот. Реальне випромiнювання, як правило, є сумою деякої кiлькостi монохроматичних хвиль. Чим вужчий iнтервал, до якого належать частоти спостережуваного випромiнювання, тим воно бiльш монохроматичне.

---

Для кiлькiсної характеристики ступеня монохроматичностi користуються параметрами, загальною рисою яких є залежнiсть вiд добротностi спектральної моди, що збуджується в резонаторi.

Теоретично межа ширини спектральної лінії визначається :

1. шумами за рахунок теплового випромінювання в резонаторі (менш суттєві);

2. шумами за рахунок спонтанного випромінювання активної речовини.

Спектр вихідного випромінювання має лоренцевий контур, а його напівширина визначається формулою Шавалова і Таунса:

Затягування частоти та спектр вихідного випромінювання в одномодовому лазері

Високий ступінь монохроматичності лазерного випромінювання визначає високу спектральну щільність енергії -- високий ступінь концентрації світлової енергії в дуже малому спектральному інтервалі.

Висока монохроматичність полегшує фокусування лазерного випромінювання, оскільки при цьому хроматична аберація лінзи стає неістотною.

Задачі, які вирішуються засобами монохроматичного випромінювання:

дослідження властивостей атмосфери; визначення монохроматичних коефіцієнтів поглинання та розсіювання; спектральний аналіз по спектрам поглинання, аналіз структури та визначення концентрації поглинання речовини; аналіз спектрів поглинання для вивчення будови поглинаючих центрів та природу процесу поглинання; вивчення процесів фотолюмінесценції, фотоефекту, вивчення спектральної залежності виходу цих процесів; вивчення фотохімічних явищ; вивчення щільності плазми.

28. Спрямованість лазерного випромінювання. 29. Когерентність лазерного випромінювання.

Спрямованiсть визначає розходження свiтлового пучка в просторi, що характеризується плоским або тiлесним кутом, у якому поширюється велика частина 109 випромiнювання. Розходження пучка є мiрою його вiдхилення вiд паралельностi. Лазерне випромiнювання за своєю природою має високий ступiнь спрямованостi. Визначення кута дифракційного розходження:

Теорія дифракції вказує на існування трьох просторових областей зі своїми відмінностями, які потрібно враховувати при вимірюванні параметрів випромінювання:

---