Элементы квантовой электроники и ифракрасной техники

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Элементы квантовой электроники и ифракрасной техники

Содержание

2. 8.5.Элементы квантовой электроники и инфракрасной техники. 8.5.1. Элементарная квантовая теория излучения. Люминесценция. В классической электродинамике электромагнитное
3. Переход таких квантовых систем, как молекулы и атомы, из одного состояния в другое сопровождается излучением или
4. Люминесценция – это неравновесное излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и
5. Люминесцентное излучение лежит в видимой, ИК и ближней УФ областях спектра. В природе люминесценция наблюдается в
6. Твёрдые тела, представляющие собой люминесцирующие искусственно приготовленные кристаллы с чужеродными примесями, называются кристаллофосфорами. На их примере
7. Фосфоресценция. Для возникновения длительного свечения кристалл должен содержать центры захвата или ловушки для электронов (рис.2), лежащие
8. До сих пор рассматривались два вида переходов электронов между энергетическими уровнями: а) вынужденные переходы с более
9. Вероятности переходов в этом случае в обоих направлениях одинаковы: Pmn=Pnm . Вероятности вынужденных переходов пропорциональны плотности
10. При поглощении света его интенсивность изменяется в соответствии с законом Бугера-Ламберта: I=I0e-χd, где χ - коэффициент
11. Практически инверсное состояние среды осуществлено в 50-е годы ХХ века в принципиально новых источниках излучения –
12. В рубиновом лазере Меймана (λ=0,6943мкм) инверсная населённость уровней осуществляется по так называемой трёхуровневой схеме, предложенной в
13. Лазерное излучение имеет характерные особенности: временную и пространственную когерентность; строгую монохроматичность (Δλ большую плотность потока энергии
14. Лазеры широко применяются: при получении и исследовании высокотемпературной плазмы (проблема управляемого термоядерного синтеза) в научных исследованиях;
15. Особый вид свечения создают жидкие кристаллы, которые являются особым состоянием некоторых органических веществ. Жидкие кристаллы обладают,
17. Скачать презентацию

Слайд 2

8.5.Элементы квантовой электроники и инфракрасной техники.
8.5.1. Элементарная квантовая теория излучения. 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.
.

Слайд 3

Переход таких квантовых систем, как молекулы и атомы,
из одного состояния 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.

Слайд 4

Люминесценция – это неравновесное излучение, представляющее собой избыток над тепловым 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.

Слайд 5

Люминесцентное излучение лежит в видимой,
ИК и ближней УФ областях спектра.
В 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).

Слайд 6

Твёрдые тела, представляющие собой люминесцирующие искусственно приготовленные кристаллы с чужеродными 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.

Слайд 7

Фосфоресценция.
Для возникновения длительного свечения кристалл должен содержать центры захвата
или ловушки 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.

Слайд 8

До сих пор рассматривались два вида переходов электронов
между энергетическими уровнями:
а) 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).

Слайд 9

Вероятности переходов в этом случае
в обоих направлениях одинаковы: Pmn=Pnm .
Вероятности 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.

Слайд 10

При поглощении света его интенсивность изменяется в соответствии
с законом Бугера-Ламберта: 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.

Слайд 11

Практически инверсное состояние среды осуществлено в 50-е годы
ХХ века в 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.

Слайд 12

В рубиновом лазере Меймана (λ=0,6943мкм) инверсная населённость уровней осуществляется по 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.

Слайд 13

Лазерное излучение имеет
характерные особенности:
временную и пространственную когерентность;
строгую монохроматичность (Δλ<10-11м);
большую плотность 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.

Слайд 14

Лазеры широко применяются:
при получении и исследовании
высокотемпературной плазмы (проблема управляемого термоядерного 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.

Слайд 15

Особый вид свечения создают жидкие кристаллы, которые являются особым состоянием 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.

Элементы квантовой электроники и ифракрасной техники

Содержание

8.5.Элементы квантовой электроники и инфракрасной техники.8.5.1. Элементарная квантовая теория излучения. Люминесценция.В

Переход таких квантовых систем, как молекулы и атомы,из одного состояния в

Люминесценция – это неравновесное излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением

Люминесцентное излучение лежит в видимой,ИК и ближней УФ областях спектра.В природе

Твёрдые тела, представляющие собой люминесцирующие искусственно приготовленные кристаллы с чужеродными примесями,

Фосфоресценция.Для возникновения длительного свечения кристалл должен содержать центры захватаили ловушки для

До сих пор рассматривались два вида переходов электроновмежду энергетическими уровнями:а) вынужденные

Вероятности переходов в этом случаев обоих направлениях одинаковы: Pmn=Pnm .Вероятности вынужденных

При поглощении света его интенсивность изменяется в соответствиис законом Бугера-Ламберта: I=I0e-χd,

Практически инверсное состояние среды осуществлено в 50-е годыХХ века в принципиально