inversiune populației - l
distribuția Boltzmann și echilibrul termodinamic
Pentru a înțelege conceptul de inversiune populației, este necesar mai întâi să se clarifice unele aspecte ale termodinamicii și legile de interacțiune a luminii cu materia. De exemplu, să presupunem că corpul de lucru cu laser este format din câțiva atomi. fiecare dintre acestea putând fi într-una din cele două stări energetice:
Numărul de atomi în stat la sol, vom lua egal cu N1. și numărul atomilor excitați - N2.
Astfel, numărul total de atomi este
Diferența dintre nivelurile de energie = E2 -E1 AE
ν21 determină frecvența caracteristică a luminii care interacționează cu atomii. Îl puteți găsi de următoarea expresie:
Dacă un grup de atomi este în echilibru termic, numărul de atomi din fiecare stat pot fi găsite folosind distribuția Boltzmann:
,
Astfel, putem calcula populat fiecare nivel de energie pentru temperatura camerei (T ≈300K) pentru energie AE. lumina vizibilă (ν≈5 · brumărel 14 Hz).
Deoarece E2 - E1 >> kT. prin urmare, exponent în expresia de mai sus este un număr negativ mare, r. e. N2 / N1 este extrem de mică, iar numărul de atomi excitați este practic zero.
Astfel, în cazul stării de echilibru termodinamic cu cea mai scăzută stare excitată de energie este mult mai popular, iar acest lucru este starea normală a sistemului. Dacă este posibil, în orice mod de a inversa situația, adică. E. Pentru a face N2 / N1> 1, atunci va fi posibil să spunem că sistemul a intrat într-un stat cu o populație de inversiune electronica.
Analiza acestor rezultate arată că, în cazul echilibrului termodinamic, în funcție de distribuția Boltzmann pentru toate valorile pozitive ale temperaturii și AE, N1 va fi întotdeauna considerabil mai mare decât N2. Rezultă că pentru o inversare a populației, sistemul nu poate fi în echilibru termodinamic.
Interacțiunea dintre lumină și materie
În natură, există trei mecanisme de interacțiune a luminii cu materia care prezintă interes în acest caz:
Dacă lumina (fotoni ν21 frecvență) trece printr-un grup de atomi, există o probabilitate ca lumina va fi absorbită de un atom în starea solului, provocând tranziția către starea excitată. Probabilitatea de absorbție este proporțională cu intensitatea luminii, precum și numărul de atomi N1. în starea de sol.
emisie spontană
Dacă atomul este într-o stare excitată, se poate deplasa în mod spontan la starea solului, cu o probabilitate proporțională cu numărul de atomi excitați N2. Diferența de energie între AE aceste state, astfel radiată atom ca frecvență ν21 foton. care poate fi găsit din expresia prezentată mai sus.
In acest proces, fotonii sunt emiși aleatoriu undelor (stohastic) t. E. Faza astfel de fotoni nu coincid. Cu alte cuvinte, emisia spontană este incoerent. În lipsa altor aranjamente, numărul atomilor excitați la momentul t poate fi definită ca
,
unde N2 (0) - numărul atomilor excitați la momentul t = 0, τ21 - timpul estimat pentru tranziția între cele două state.
Dacă un atom se află deja în stare excitată, trecerea la starea de sol poate avea loc prin forță, dacă va avea loc un foton de ν21 de frecvență. Respectiv energie AE. In acest atom va emite un al doilea ν21 frecventa de fotoni. Deoarece primul foton nu este înghițit la ieșire avem deja doi fotoni de aceeași frecvență. Un astfel de proces este numit emisie stimulata. Numărul radiind forțat atomi proporțional cu numărul de atomi în stare excitată de N2. precum și intensitatea radiației externe.
Punctul cheie al procesului de emisie stimulată este faptul că al doilea foton are aceeași frecvență și fază ca prima. Cu alte cuvinte, ambii fotoni sunt coerente. Această proprietate permite procesul de câștig optice și, în consecință, dezvoltarea de lasere.
În timpul funcționării cu laser are loc, toate cele trei interacțiuni descrise mai sus de lumină cu mecanism de materie. La atomii instantanee inițiale sunt transferate la o stare excitată de procesul de pompare. care este descris mai jos. Unii dintre acești atomi radia spontan fotoni incoerente ν frecvență. Acești fotoni sunt returnate în corpul de lucru cu laser, cu un rezonator optic. Element cu laser de design. Unele dintre aceste fotoni vor fi absorbite de atomi în starea de la sol, iar acestea vor fi pierdute pentru procesul de laser. Cealalta parte va cauza emisie stimulata atomilor excitați, creând fotoni coerente. Ca rezultat, vom obține amplificare optică.
Dacă numărul de fotoni implicați în creșterea pe unitatea de timp mai mare decât numărul de fotoni absorbiți atomi, numărul total de fotoni începe să crească, și se poate spune că coeficientul fluidului de lucru a fost un câștig mai mare decât unitatea.
Dacă raportul utilizare date mai sus pentru absorbție și emisie stimulată, intensitatea fiecărui proces este proporțională cu numărul de atomi din sol și starea excitată de N1 și N2. Dacă numărul de atomi din starea de sol este mult mai mare decât în excitat (N1> N2), procesul de absorbție va domina toate fotonul este absorbit. În cazul egalității acestor valori (N1 = N2), cantitatea de absorbție a faptelor va corespunde numărului de emisie stimulată a faptelor, iar mediul de lucru este transparent optic. În cazul în care numărul de atomi excitați vor predomina (N1 După cum sa menționat mai sus, necesare pentru funcționarea inversiune populației cu laser, dar pentru a ajunge la un grup de atomi, care nu poate fi în echilibru termodinamic. De fapt, transferul direct al atomilor în stare excitată este întotdeauna compensată prin procesele de emisie spontană și stimulată. Cel mai bun care poate fi atins în această situație - transparența optică în cazul N1 = N2 = N / 2, dar nici un câștig. Pentru a obține starea de non-echilibru, trebuie să utilizați metode indirecte de transfer al atomilor în stare excitată. Pentru a înțelege cum funcționează acest lucru, vom folosi un model mai realist, cunoscut sub numele de laser cu trei niveluri. Să considerăm din nou grupul de atomi de N, dar acum fiecare poate fi în trei stări diferite de energie, la nivelurile 1, 2 și 3 cu energii E1, E2 și E3. în valoare de N1. N2 și N3. respectiv. În același timp, diagrama de nivel de energie ar arata astfel: La sistemul de atomi care începe este în echilibru termodinamic, cele mai multe dintre atomii din starea de sol, de ex., E. N1 ≈ N. N2 ≈ N3 ≈ 0. Dacă acum vom aprinde lumina ν31 atomi de frecvență. în care E3 -E1 = h ν31 (h - constanta lui Planck), prin absorbție, atomii vor începe tranziția la o stare excitată la nivelul 3. Aceasta se numește pompare. și nu este întotdeauna cauzată de lumină. În acest scop, folosit, de asemenea, șocuri electrice sau a reacțiilor chimice. Nivelul 3, de asemenea, numit uneori un nivel de bandă de pompă sau de pompare. și tranziția energiei E1 → E3 - pompare tranziție. care este prezentat de litera P în diagramă. Dacă vom continua pomparea de atomi, suntem incantati la un nivel de 3 destul de ei, adică. E. N3> 0. În continuare, trebuie să atomi mutat rapid la nivelul 2. Eliberată în timp ce energia poate fi emisă ca un mecanism foton de emisie spontana, dar în practică, este selectat corpul de lucru cu laser, astfel încât deplasarea 3 → 2, notată în diagrama de litera R. trecut fără radiații, și energia cheltuită pentru încălzirea fluidului de lucru. la 2 atom poate merge la nivelul solului, care emite spontan un foton de ν21 frecvență (care poate fi găsit din expresia E2 -E1 = h ν21). Acest proces este ilustrat în diagrama de litera L. Timpul înainte de timpul de tranziție depășește cu mult τ21 tranziție nonradiating → 3 2 - τ32 (τ21 >> τ32). În aceste condiții, numărul de atomi de la nivelul 3 va fi aproximativ egal cu zero (N3 ≈ 0) și numărul de atomi la temperaturi între 2 - mai mare decât zero (N2> 0). Dacă la acest nivel va fi capabil să dețină mai mult de jumătate din atomi între nivelurile 1 și 2, se atinge o inversare a populației. și pe frecvența ν21 începe amplificare optică. Într-un astfel de sistem, atunci când atomii de P pompate merge de la starea solului (nivelul 1), la nivelul pompei de 4. Nivelul 4 atomi de via rapidă tranziție nonradiating Ra - la nivelul 3. Deoarece timpul înainte de tranziție de timp L este mult mai mare decât înainte de trecerea Ra. 3 se acumulează la atomii care apoi cu ajutorul emisiei spontane sau stimulate să treacă nivelul 2. Acest nivel de tranziție rapidă atom Rb poate reveni la starea de sol. Ca și în cazul anterior, prezența unei tranziții rapide Ra determină că N4 ≈ 0. laser patru niveluri, datorită trecerii rapide a doua Rb. numărul de atomi de la 2 tinde la zero (N2 ≈ 0). Acest lucru este important, deoarece cantitatea mare de atomi acumulate la nivelul 3, care formează un nivel de inversare a populației 2 (N3> 0, unde N3> N2). câștigul optic primit (și, prin urmare, operația laser) are loc la o frecvență ν32 (E3 -E2 = h ν32) În ceea ce privește formarea unei inversiune populației în laserul cu patru nivele este suficient număr mic de atomi, astfel de lasere sunt mai practice. Acest lucru se datorează faptului că numărul de bază de atomi rămâne la nivelul 1, iar inversiunea populației se formează între stratul 3 (care este un număr de atomi excitați) și nivelul 2, unde atomii există puține, deoarece acestea se ajunge rapid la nivelul 1. De fapt, puteți face o serie de lasere cu niveluri de putere mai mare de patru. De exemplu, pomparea cu laser poate fi de mai multe niveluri, sau pot forma o bandă continuă, care să permită laserului să funcționeze într-o gamă largă de lungimi de undă. Trebuie remarcat faptul că tranziția energia de pompare optică în lasere cu trei și patru niveluri depășește energia radiației de tranziție. De aici rezultă că frecvența radiației de pompare trebuie să fie mai mare decât frecvența radiației laser de ieșire. Cu alte cuvinte, lungimea de undă a pompei este mai scurtă decât lungimea de undă laser. Astfel, pentru anumite fluide de lucru poate procesa apare atunci când etapele de pompare, prin mai multe niveluri. Astfel de lasere sunt numite up-conversie lasere (cu efectul cooperativ al laserului). În ciuda faptului că procesul de cele mai multe lasere numit de tranziție de atomi între nivelurile de energie electronice descrise mai sus, acest lucru nu poate fi singurul mecanism al laserului. Multe dintre lasere utilizate în mod obișnuit (de exemplu, laserele cu coloranți. Lasere cu dioxid de carbon), în care mediul de lucru este compus din molecule ale căror nivele de energie pot corespunde modurilor de vibrații ale acestor molecule. În cazul masers apei. Acest proces are loc în natură. inversiune a populației - o stare de non-echilibru al materiei în care populația nivelelor energetice superioare ale unei perechi de un singur tip de atomi (ioni, molecule) incluse în substanța depășește populația inferioară. inversiune populației este baza de lasere, și ... ... Collegiate dicționar inversiunea populației - stare inversia 20. Populația semiconductorului, în care concentrația de purtători de sarcină în nivele excitate peste echilibru Sursa: GOST 22622 77: Materiale semiconductoare. Termenii și definițiile majore electrice ... ... Dicționar de termeni documentației normative și tehnice inversare a populației - stare neravnonesnoe în wa, când un rom populat superior al unei perechi de niveluri de energie de un singur tip de atomi, ioni sau molecule în compoziție va. depășește populația cea mai mică. I. n. este baza de lasere, și altele. dispozitive cuantice ... ... Great Dicționarul Enciclopedic Politehnica inversiune populației (echipamentul laser) - inversare a populației este un sistem cuantic de stat neechilibru, în care populația de nivel superior de energie depășește pe cea inferioară [90] GOST 15093 Subiecte echipamente cu laser ... Manualul traducătorului tehnic inversare a populației (în semiconductori) - condiție inversiune populației semiconductoare, în care concentrația de purtători de sarcină în nivelele excitate de mai sus de echilibru. [77] GOST 22622 Materiale semiconductoare Subiecte ... Manual tehnic traducător inversiune Populația - (de la inversiune inversio latină, rearanjare), stare de non-echilibru al materiei în care, în contrast cu starea obișnuită a cantității de echilibru termic al particulelor care constituie materialul (atomi, molecule), sunt la mai mari ... ... Encyclopedia Modern inversiune a populației -, stare de non-echilibru în wa, când un rom pentru constituent h i (.. Dintre atomi, molecule, etc.) la inegalitatea (inversiune inversio Lat, rearanjare.): N2 / g2> N1 / g1, unde N2 și N1 populațiile din mâna de sus. și mai mici. nivelurile de energie, g2 și să le g1 ... ... Encyclopedia fizicăCrearea unei inversiune a populației
În această diagramă, E1 Vezi ce „inversiune populației“ în alte dicționare: