Инверсной населенностью

Методы получения инверсной населенности. Инверсная населенность верхних энергетических уровней практически выполняется двумя методами. Первый — состоит в своеобразной пространственной рассортировке атомов или молекул по энергетическим состояниям, в результате остаются лишь возбужденные частицы. Так с помощью неоднородного магнитного поля можно сконцентрировать в одной части пространства возбужденные атомы водорода; с помощью неоднород-

воздействием излучения осуществляется инверсная населенность одного или нескольких высших энергетических уровней; этот метод нашел применение в оптических квантовых приборах.

пикающего при излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар. Наиболее широкое практическое применение получили инжекционные лазеры на арсениде галлия, в которых инверсная населенность достигается инжекцией неосновных носителей через р — n-переход в вырожденные области полупроводника. Применяются также InAs, InP, InSb и ряд твердых растворов. На 12.20, о показан равновесный р — n-переход между двумя вырожденными областями полупроводника. Уровень Ферми в р-области (fip) располагается ниже вершины валентной зоны Ev, а в n-сбласти (цп)—выше дна зоны проводимости Ес. Такое расположение уровней Ферми свидетельствует о том, что состояния вблизи вершины валентной зоны р-области с вероятностью, близкой к 1, свободны (заполнены дырками), а состояния вблизи дна зоны проводимости «-области с той же степенью вероятности заполнены электронами. Если к такому р— «-переходу приложить прямое смещение V, резко снижающее потенциальный барьер, то в нем появится область А с инверсионным заполнением зон: над практически свободными уровнями валентной зоны располагаются полностью заполненные уровни зоны проводимости ( 12.20, 6). В этих условиях спонтанно возникшие кванты вследствие рекомбинации электронно-дырочных пар будут вызывать стимулированное испускание излучения. Этот принцип и положен в основу работы полупроводниковых лазеров, схема устройства которых показана на 12.21. Кристалл с р — «-переходом имеет форму параллелепипеда или неправильной пирамиды: две противоположные грани делаются строго параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости р — «-перехода; они выполняют роль оптического резонатора, заставляющего стимулированное излучение, возникшее в плоскости перехода, проходить через него многократно. Две другие грани могут быть направлены под углом к основанию и оставляются грубо обработанными, вследствие чего не могут выполнять роль оптического резонатора. Когерентное излучение выводится через одну из граней оптического резонатора.

Мощность излучения, выходящего из такого усилителя, тем больше, чем больше частиц участвует в переходах с верхнего энергетического уровня на нижний. При этом возрастает коэффициент усиления а = cr(jV2 - jVj) - Jc0 . Усиление тем больше, чем больше путь /, пройденный лучом. Значительного увеличения этого пути можно добиться, помещая среду в оптический резонатор, обеспечивающий многократное прохождение за счет многократных отражений излучения. В диапазоне сверхвысоких частот для этой цели используются объемные полые металлические резонаторы. В оптическом диапазоне резонатор образует два параллельных зеркала. Оптический резонатор способствует достижению уровня обратной связи, который позволяет превратить квантовый усилитель в квантовый генератор. Это происходит, когда уровень усиления превысит потери энергии, а инверсная населенность превысит пороговое значение jV2 - Nl ~ y/aL, где у — коэффициент потерь; L — длина оптического резонатора.

Большей эффективностью обладает четырехуровневый метод возбуждения за счет того, что усиление происходит при переходах с метастабиль-ного уровня не на сильно населенный основной, а на более высокий уровень (возбуждения) с меньшей населенностью. Поэтому инверсная населенность между этими уровнями может быть достигнута при относительно низких мощностях накачки (когда населенность самого верхнего уровня сравнительно мала). Четырехуровневый метод используется в неодимовых лазерах ( Я = 1,06 мкм).

В перечисленных условиях инверсная населенность достигается в результате действия одного или нескольких перечисленных ниже механизмов возбуждения: передача возбуждения (потенциальной энергии) от одного атома к другому в результате неупругого столкновения, передача возбуждения при диссоциации, оптическая накачка в результате селективного возбуждения (на резонансной частоте перехода), возбуждение атома неупругим электронным ударом, накачка излучательными каскадными переходами, возбуждение при нейтрализации зарядов двух ионов, фотодиссоциация молекул (если энергия фотона достаточна для диссоциации молекул, возбуждения атома и передачи кинетической энерпВгобразовавшимся атомам).

Выражение (8.8) соответствует известному в оптике закону Бугера: мощность излучения при прохождении через среду изменяется по экспоненциальному закону. Если в среде имеет место равновесная населенность уровней, то добротность Qa положительна, а показатель х отрицателен, и, следовательно, мощность излучения убывает с расстоянием ( 8.2). Если же в среде создана инверсная населенность, то Qa<0, х>0, и мощность возрастает вдоль длины.

Через некоторое время после прекращения действия входного сигнала первоначальная инверсная населенность рабочего перехода восстанавливается. Время восстановления зависит более всего от времени опий-решеточной релакса-

щена в герметизированную стеклянную или кварцевую трубку. Между анодом и катодом приложено постоянное напряжение, достаточное для зажигания тлеющего разряда в трубке. Катод обычно делают подогревным для облегчения возникновения разряда. Рассмотрим, каким образом создается инверсная населенность

Вследствие резонансной передачи возбуждений населенности уровней 2s и 3s значительно возрастают, и при определенных условиях разряда возникает инверсная населенность на переходах 3s->-3p, 2s-v2/j и 3s-v2/3. Таким образом, основным рабочим веществом, создающим вынужденное излучение, является неон, а гелий

На метастабильных уровнях 2 вследствие большого времени жизни (~3-10~3с) накапливаются частицы. При достаточной величине энергии накачки возникает инверсная населенность в переходе 2-*1. Таким образам, генерация возникает «а двух линиях R± и R2. При комнатной температуре длина /волны генерации составляет 0,6943 мкм для линии Ri и 0,6929 мкм для линии ^?2- Обычно первое колебание в процессе генерации подавляет второе.

ния света в результате вынужденной рекомбинации. Для преобладания вынужденной рекомбинации над поглощением квантов света необходимо, чтобы верхние энергетические уровни были больше заполнены электронами, чем нижние. Состояние полупроводника, в котором число электронов на одном из энергетических уровней с большей энергией больше числа электронов на уровне с меньшей энергией, называют состоянием с инверсной населенностью. Поглощение квантов света в полупроводнике с инверсной населенностью энергетических уровней мало, так как около потолка валентной зоны почти нет электронов, которым может быть передана энергия кванта света. С другой стороны, в полупроводнике с инверсной населенностью может происходить вынужденная рекомбинация.

I — активная область с инверсной населенностью; 2 — отражающие поверхности кристалла полупроводника

и соответствующего многократного прохождения вдоль р-п-пере-хода свет выходит из полупроводника ( 9.11). Кванты света, двигающиеся строго перпендикулярно торцам кристалла, могут много раз пройти через активную область с инверсной населенностью и тем самым создать большую лавину квантов света. Две другие боковые грани должны быть скошены под некоторым

углом, чтобы воспрепятствовать возникновению генерации света между ними ( 9.12). Те кванты света, которые начали двигаться не вдоль p-n-перехода и не перпендикулярно торцам кристалла, уходят из активной области с инверсной населенностью и не вызывают вынужденной рекомбинации.

/ — молибденовая пластина — нижний электрод; 2 — область с электропроводностью п-типа; 3 — активная область с инверсной населенностью; 4 — область с электропроводностью р-типа; 5 — полированные торцовые поверхности кристалла полупроводника; 6 — верхний электрод; 7 — излучение

Электронные и квантовые приборы свч можно представить в общем виде как колебательную или волноводную систему, в которой существуют электромагнитные поля и активная среда, обеспечивающая усиление электромагнитных колебаний. Для электронных приборов такой активной средой является электронный лоток, для квантовых — совокупность атомов или молекул с инверсной населенностью энергетических уровней.

С инверсной населенностью уровней иногда связывают понятие отрицательной температуры. Известно, что термодинамика допускает только положительные значения абсолютной температуры Т. Выразим температуру при помощи закона Больцмана (7.12):

§ 7.4. ПОЛУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ С ИНВЕРСНОЙ НАСЕЛЕННОСТЬЮ

Необходимым условием работы любого квантового прибора является наличие в нем активной среды, т. е. вещества с инверсной населенностью энергетических уровней. В активной среде электромагнитные колебания усиливаются за счет энергии, выделяемой средой.

Состояние среды с инверсной населенностью уровней является неустойчивым и сопровождается повышенным числом переходов на нижний уровень. Вероятность спонтанных излучательных переходов в диапазоне свч мала. На процесс возвращения возбужденных частиц твердого парамагнетика в основное состояние наибольшее влияние оказывают безызлучательные релаксационные процессы. В парамагнетиках различают спин-решеточную и спин-спиновую релаксации.

Для усиления и генерации когерентного излучения в полупроводниковом кристалле необходимо создать состояние с инверсной населенностью^ уровней. Например, если инверсная населенность создается на переходе зона проводимости—валентная зона, то концентрация электронов в верхней энергетической зоне должна быть больше, чем в нижней, и тогда вынужденные переходы вниз преобладают над переходами вверх.