Условие генерации лд когерентного излучения

Светодиоды и лазеры используют очень сходные принципы действия. (свет излучается из светодиода, когда электрон переходит с уровня с высокой энергией на уровень с низкой энергией). В светодиодах для стимулирования излучение использовалось прямое напряжение смещения. Для перехода на более низкий уровень электрон, находящийся на уровне с высокой энергией, может так же стимулироваться фотоном с достаточным уровнем энергии. Таким способом внешний фотон может стимулировать излучение вторичного фотона с той же самой длиной волны.

Лазер действует посредством оптического резонанса. Строение лазера очень сходно со строением светодиода, излучающего из кромки. У него тонкая узкая активная область с добавлением отражающих концов и отражающих сторон, как показано на рисунке 6,5. В этом резонаторе свет ограничен и отражается в зад и в перёд через возбуждённую среду. Для начала излучения фотонов к лазеру прилагают смещение. Фотоны отражаются назад и вперёд и стимулируют дальнейшую эмиссию фотонов от ожидающих рекомбинации электронов. Свет, проходящий в зад и вперёд вдоль оси резонатора, продолжает свои движения и наращивает силу до тех пор, пока не сможет прорваться через отражающий конец, и таким образом формируется лазерный пучок.

Лазеры должны работать с токами большей энергии, чем светодиоды, так чтобы создавать достаточно высокую плотность электронов, готовых к рекомбинации на высоком энергетическом уровне.

Рассмотрим процесс лазерного излучения подробнее. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия(энергии накачки) Е_к часть электронов с нижних равновесных уровней Е₁ переходит на более высокие уровни, а затем оказываются на уровне возбуждения Е₂(рис).

возвращение этих электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ сопровождается испусканием фотонов длиной волны

λ=1,24/(Е₂-Е₁),

где λ – выражается в мкм, Е – в эВ.

Процесс перехода электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ может происходить по разному. Возможен спонтанный переход, тогда излучение не когерентно, возможен вынужденный переход. Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают пости одновременно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали.

Таким образом вынужденное излучение – когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах(совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением).

Для количественной оценки лазерноого излучения вводят понятие инверсионной населенности уровня энергии, под которой понимают число атомов единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана

N₁/N­₂=exp(-(E₂-E₁)/kt),

Где N₂ – населенность возбужденными атомами, N₁ – населенность невозбужденными атомами.

Когда ΔN<0 вещество находится в равновесном состоянии и лазерное усиление невозможно. При ΔN>0 происходит инверсия неселенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов. Состояние инверсии населенности иногда называют состоянием с отрицательной температурой.