Элементы квантовой электроники и ифракрасной техники

Петренко Л.Г.






Кафедра общей и экспериментальной физики НТУ «ХПИ»




Харьков

- 2012 год

8.5. Элементы квантовой электроники и инфракрасной техники

Люминесценция.
В классической электродинамике электромагнитное излучение - это образование электромагнитных волн

ускоренно движущимися заряженными частицами.

В природе существует несколько видов излучения –
тепловое, излучение отражающих и рассеивающих поверхностей,
люминесценция, электромагнитное, рентгеновское излучение и др.

В квантовой теории электромагнитное излучение –
это рождение фотонов
при изменении состояния квантовой системы.
.

в другое сопровождается излучением
или поглощением кванта энергии - фотона.
Энергия фотона

равна: εф=ω=hν.
Фотон обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами.
В этом проявляется его корпускулярно-волновой дуализм.

Излучение может возникать самопроизвольно - тепловое,
а может быть вынужденным –
люминесценция и свечение жидких кристаллов.

излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую

период световых волн.

Тепловое излучение в видимой области спектра заметно
только при температуре в несколько сотен или тысяч градусов.
Люминесценция может наблюдаться при любой температуре. Поэтому люминесценцию называют холодным свечением.

Длительность люминесценции после прекращения возбуждения составляет ~10-8÷10-10с, а период световых колебаний ~10-14с.
В этом состоит отличие люминесценции от процессов
отражения и рассеяния света.

природе люминесценция наблюдается в виде северного сияния, свечения некоторых минералов,

насекомых, гниющего дерева.

В зависимости от способа возбуждения различают: фото-, рентгено-, катодо-, электро-, хеми-, радио-, трибо-люминесценцию.
По длительности люминесценции различают флуоресценцию (короткое свечение) и фосфоресценцию (длительное свечение).

примесями, называются кристаллофосфорами. На их примере рассмотрим механизмы возникновения флуоресценции

и фосфоресценции с точки зрения зонной теории.

Флуоресценция.
В запрещённой зоне располагаются
примесные уровни активатора (рис.1).
При поглощении атомом активатора фотона
с энергией hν электрон с примесного уровня переходит в зону проводимости и свободно перемещается по кристаллу до тех пор, пока не встретит ион активатора и не рекомбинирует с ним, перейдя вновь на примесный уровень. Рекомбинация сопровождается излучением
кванта люминесцентного свечения.
Время свечения ≤10-9с.

для электронов (рис.2),
лежащие вблизи дна зоны проводимости.
Их образуют атомы примеси

и междоузлия.

Под действием света электроны с примесных уровней переходят в зону проводимости и становятся свободными,
но затем захватываются ловушками, теряют подвижность
и не могут рекомбинировать с ионами активатора.

Поглотив фотон, электрон освобождается из ловушки, переходит в зону проводимости
и движется по кристаллу до тех пор,
пока его не захватит другая ловушка или
он не рекомбинирует с ионом активатора.
В последнем случае возникает квант люминесцентного излучения.

вынужденные переходы с более низких энергетических уровней на более высокие

под действием излучения и сопровождающиеся поглощением этого излучения (поглощение фотонов);

8.5.2. Вынужденное и спонтанное излучение фотонов. Коэффициенты Эйнштейна для индуцированных переходов двухуровневой системы.

б) спонтанные переходы (самопроизвольные)
с более высоких энергетических уровней на более низкие, сопровождающиеся излучением фотонов.

В 1918 году А.Эйнштейн показал, что может существовать ещё один вид переходов - вынужденные переходы с высоких энергетических уровней на низкие, сопровождающиеся излучением фотонов - в).

вынужденных переходов пропорциональны плотности энергии Uω вынуждающего этот переход электромагнитного

поля, приходящейся на частоту ω =(Wm-Wn)/,
соответствующую данному переходу.
Таким образом, Pmn=ВmnUω; Pnm=ВnmUω,
где Вmn и Вnm – коэффициенты Эйнштейна.
Поскольку Pmn=Pnm , то равны и коэффициенты Эйнштейна: Вmn=Вnm.

Число переходов между двумя уровнями
пропорционально “населённости” исходного уровня.
Для осуществления вынужденных переходов с более высоких уровней на низкие необходимо “обратить населённость энергетических уровней” –
в состоянии с большей энергией должно быть больше атомов,
чем в состоянии с меньшей энергией.

I=I0e-χd,
где χ - коэффициент поглощения, d -

толщина поглощающего слоя.
В веществах с инверсной населённостью
коэффициент поглощения отрицательный (χ<0).

Он экспериментально обнаружил
вынужденное излучение паров ртути, возбуждаемых в электрическом разряде.
Вынужденное и вынуждающее излучения
строго когерентны - их направление,
частота, фаза, поляризация совпадают.

Впервые о возможности получения инверсных сред
в 1939 году указал советский физик В.А.Фабрикант.

принципиально новых источниках излучения –
оптических квантовых генераторах или лазерах
(Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation –
усиление света с помощью вынужденного излучения).

В 1953 году советские физики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и независимо от них американские физики Ч.Таунс и Д.Вебер
высказали идею, а уже в 1954 году были созданы первые молекулярные генераторы (мазеры),
работающие в сантиметровом диапазоне.

8.5.3. Принцип работы квантового генератора. Метод трёх уровней. Основные этапы развития квантовой электроники.

так называемой трёхуровневой схеме, предложенной в 1955 году Басовым и

Прохоровым.

В 1960 году Т.Мейман (США) создал аналогичный мазеру прибор, работающий в оптическом диапазоне - лазер.

В кристалле рубина (Al2O3) часть атомов Al замещена ионами хрома Cr+++.
При облучении рубина светом мощной газоразрядной импульсной лампы происходит оптическая накачка лазера - ионы хрома переходят с 1 на уровни широкой полосы 3.
Время жизни ионов хрома в возбуждённом состоянии мало - ~10-7с.
Поэтому происходят либо спонтанные переходы 3→1,
либо безызлучательные переходы 3→2 на метастабильный уровень 2.
Переходы 2→1 запрещены правилами отбора. Это приводит к накоплению ионов хрома на уровне 2, то есть возникает инверсная населённость уровней 1 и 2.
Каждый фотон, родившийся при спонтанном переходе 2→1,
может инициировать множество вынужденных переходов 2→1.
Возникает лавина вторичных фотонов, являющихся копией первичных.
Так происходит лазерная генерация.

потока энергии (20кВт/мм2);
очень малое угловое расхождение в пучке.

В настоящее время

созданы несколько десятков разных типов лазеров,
которые можно классифицировать по:
типу активной среды - твёрдотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые;
методу накачки - оптические, тепловые, химические, электроионизационные;
режиму генерации - непрерывные, импульсные.

8.5.4. Твёрдотельные и газоразрядные лазеры. Полупроводниковые лазеры. Химические лазеры. Применения квантовой электроники.

синтеза)
в научных исследованиях;
в частности в голографии;
в измерительной технике;
при обработке,

резании,
микросварке
твёрдых материалов;

в военной технике;

в хирургии и медицинских исследованиях.

некоторых органических веществ.
Жидкие кристаллы обладают, с одной стороны, текучестью жидкостей,

а с другой стороны, сохраняют определённую упорядоченность в расположении молекул и анизотропию ряда физических свойств, характерную для твёрдых кристаллов. Существует целый ряд жидких кристаллов некоторых соединений в интервале температур от –400С до +800С.
Основным признаком структуры жидких кристаллов является палочкообразная форма их молекул.
Изменение ориентации этих молекул под воздействием электрических и магнитных полей, оптического излучения, при изменении температуры и т.д. создает большие возможности их практического использования.

8.5.5. Понятие о жидких кристаллах.

доли градуса используется в медицине (определение температуры определённых участков тела)

и в технике (визуализация ИК, СВЧ и других видов излучения, контроль качества микроэлектронных схем и т.д.). Электрооптические свойства жидких кристаллов широко используются в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах
(электронные часы, микрокалькуляторы и т.д.),
в плоских телеэкранах и компьютерных мониторах.