Вынужденное излучение

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО

ЛАЗЕРА

Цель работы: изучение принципов работы оптических квантовых генераторов (лазеров); изучение устройства полупроводникового лазера и свойств лазерного излучения; определение длины волны лазерного излучения; наблюдение поляризации лазерного излучения.

Приборы и принадлежности: полупроводниковый инжекционный лазер; поляризатор с угловой шкалой поворота; дифракционная решётка; экран; фотоэлектрический приёмник лазерного излучения; оптическая скамья.

Теоретические сведения

Принцип действия оптических квантовых генераторов (лазеров).

Работа оптических квантовых генераторов (лазеров) основана на трех фунда­ментальных идеях, родившихся в различных областях физики.

· Первая идея сформулирована А. Эйнштейном в 1916 г. в рамках теории тепло­вого излучения. Эйнштейн постулировал возможность процесса вынужденного испускания фотонов атомами, находящимися в возбужденном состоянии.

· Вторая фундаментальная идея: применение термодинамически неравновесных систем (т.е. активных сред с инверсной заселенностью энергетических уров­ней), в которых возможно усиление, а не поглощение электромагнитных волн. Эта идея принадлежит советскому физику В. А. Фабриканту (1940г.).

· Третья идея имеет радиофизические корни - это использование положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в автоколебательную, т.е. в генератор когерентных электромагнитных волн.

За разработку и создание ОКГ советским физикам Н.Г. Басову, A.M. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу была присуждена в 1964 г. Нобелевская премия по физике.

Спонтанное и вынужденное излучения. Поглощение света.

Спонтанное излучение.

Пусть в полупроводниковом кристалле свободный электрон обладает энергией и находится в зоне проводимости, а на энергетическом уровне имеется дырка (рис. 1а). При столкновении свободного электрона и дырки в кристалле может произойти самопроизвольный (спонтанный) переход электрона с уровня на уровень , т.е. рекомбинация электронно-дырочной пары. При этом освобождается энергия, равная разности энергетических уровней ( - ). Если эта энергия высвобождается в виде фотона, то процесс называют спонтанным излучением. При этом частота излучения определяется формулой Планка

, (1)

где – постоянная Планка.

Рис. 1а. Спонтанное Рис. 1б. Вынужденное Рис.1в. Поглощение

излучение. излучение. света.

Заметим, что спонтанное излучение является только одним из возможных путей перехода атома из одного состояния в другое. Переход может происходить и безызлучательным путём. В этом случае избыток энергии ( - ) выделяется в какой – либо иной форме, например, в виду кинетической энергии окружающих атомов.

Вынужденное излучение.

Предположим, что в кристалле полупроводника свободный электрон находится на верхнем уровне , на уровне есть вакансия (дырка). Пусть на вещество падает электромагнитная волна (поток фотонов) с частотой , определяемой выражением (1) (т.е. частотой, равной частоте спонтанно испущенного фотона). На рисунке 1б. показано схематически, что первичный фотон инициирует (вынуждает) рекомбинацию электронно – дырочной пары. При этом разность энергий ( - ) выделится виде фотона, который добавится к первичному фотону. Это и есть явление вынужденного излучения в полупроводниковом кристалле.

Между процессами спонтанного и вынужденного излучений имеется существенное различие. С волновой точки зрения, в случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну, фаза которой не имеет определенной связи с фазой волны, излученной другим атомом. Кроме того, спонтанно излученный фотон может иметь любое направление распространения. В случае же вынужденного излучения, поскольку процесс инициируется первичным фотоном, излученный фотон при рекомбинации электрона и дырки добавляется к первичному фотону в той же фазе. Первичный фотон определяет также направление распространения вторичного фотона. Первичный и вторичный фотоны имеют одинаковую поляризацию и одинаковое направление распространения.

Поглощение света.

На рисунке 1в показано, что под действием света может происходить генерация электронно – дырочной пары. Электрон, находящийся в валентной зоне на уровне , поглощает фотон с энергией и при этом переходит в зону проводимости на энергетический уровень . В валентной зоне остается незанятое квантовое состояние, т.е. дырка. В этом заключается процесс поглощения света кристаллом полупроводника.