Спонтанное излучение

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА

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

, (1)

где h – постоянная Планка.

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 (ε_c - ε_ν) выделяется в какой – либо иной форме, например, в виду кинетической энергии окружающих атомов.

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

излучение. излучение. света.