- •Министерство образования и науки рф
- •Содержание
- •I. Рабочая программа дисциплины…………………………………………..
- •1.1 Цели освоения дисциплины
- •1.2. Место дисциплины в структуре ооп
- •1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля)
- •1.5.Образовательные технологии
- •1.6.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы бакалавров. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
- •1. Каков диапазон длин волн видимой части спектра излучения.
- •1.7.Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
- •1.8.Материально-техническое обеспечение дисциплины.
- •II. Материалы, устанавливающие содержание и порядок изучения
- •2.1 Распределение часов по темам и видам учебной работы
- •2.2.Содержание курса Квантовая и оптическая электроника
- •1. Когерентные источники излучения
- •Условия возникновения лазерной генерации
- •Квантовые переходы в двухуровневых системах
- •1.3. Кинетические процессы в трехуровневых квантовых системах (рубиновый лазер)
- •1.4. Квантовые переходы в четырехуровневых системах
- •1.5. Полупроводниковые инжекционные лазеры
- •1.6. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой
- •1.7. Газовые лазеры
- •1.8. Твердотельные лазеры
- •2.1. Принцип действия фотодиодов
- •2.2. Многоэлементные фотоприемники
- •3. Некогерентные источники излучения
- •3.1. Принцип действия излучающих диодов
- •3.2. Основные материалы излучающих диодов
- •2.3.Темы практических и семинарских занятий
- •2.4Лабораторный практикум.
- •2.5.Методические указания студентам
- •2.6.Методические рекомендации для преподавателя
Квантовые переходы в двухуровневых системах
Р ассмотрим двухуровневую систему, в которой- частота спонтанных переходов с уровня 2 на уровень 1,и- вероятности вынужденных переходов между уровнями (Рис 1.4.).
Пусть - населенности атомов на уровнях. Кинетическое уравнение, описывающее изменение атомов на уровнях имеет вид:
,
которое представляет собой закон сохранения атомов в системе.
Пусть , так что. Система уравнений принимает вид:
.
Отсюда:
, .
Изменение населенностей атомов на уровнях 1 и 2, описанных соотношениями, имеет вид:
Таким образом, в двухуровневой системе нельзя получить инверсию населенности при сколь угодно большой мощности накачки .
1.3. Кинетические процессы в трехуровневых квантовых системах (рубиновый лазер)
В рубиновом лазере в качестве активного вещества используют монокристаллическкую окись алюминия Al2O3 с решеткой сапфира, в которой часть ионов алюминия Al+3 изоморфно замещены ионами Cr+3. Концентрация ионов хрома не превышает ~1,6·1019 ат/см3. При больших концентрациях происходит взаимодействие ионов Cr+3 между собой, что приводит к искажению энергетического спектра ионов.
Розовый цвет кристаллов обусловлен широкими полосами поглощения Cr+3. Генерация лазерного излучения происходит за счет переходов ионов Cr+3 между уровнями. Такие ионы называются активными. Рубиновые лазеры, как правило, работают в импульсном режиме. Из-за низкого К.П.Д. () они неэкономичны по сравнению с другими лазерами, работающими в непрерывном режиме.
С хема энергетических уровней лазера на рубине, в которых происходят квантовые переходы, имеет вид (рис.1.6.).
Уровень 1 называется основным уровнем; уровень 3 – уровнем накачки; уровень 2 – верхним уровнем лазерной генерации. В трехуровневых лазерах нижний уровень лазерной генерации совпадает с основным.
Под действием излучения накачки ионы Cr+3 переходят на широкий уровень 3, с которого безизлучательным образом переходят на верхний уровень лазерной генерации 2. Так как вероятность перехода A32 значительно превышает вероятность перехода A31, то при накачке достигается состояние с инверсией населенности. Уровень 2 является метастабильным и время жизни на нем ~10-3 с, имеет порядок длительности лазерного импульса в режиме свободной генерации. Генерация излучения с длиной волны 0,69 мкм происходит при переходе 2→1.
Кинетические уравнения, описывающие уравнение населённостей в трёхуровневой системе имеют вид:
Отсюда следует выражение: , которое представляет собой закон сохранения атомов в системе:.
В стационарном состоянии: и система уравнений принимает вид:
Найдём требования к вероятностям переходов, которые обеспечивают состояние с инверсией населённостей: . Из первого и второго уравнений системы имеем:
, .
Отсюда:
или в терминах "времени жизни" на уровнях:
Отсюда следует, что:
а) , то есть ионы должны большее время находиться на уровне 2 по сравнению с уровнем 3.
б) , то есть ионы должны преимущественно переходить на уровень 2, а не на уровень 1.
Мощность излучения накачки связана с соотношением:
.
С учётом а) и б), . В процессе генерации:,. Отсюда минимальная мощность накачки в трёхуровневой системе равна:.