Принцип работы лазера

В твердых телах переходы электронов между состояниями возможны либо с испусканием, либо с поглощением квантов света. В зависимости от начального и конечного состояния различают 4 типа переходов.

A - межзонные переходы, т.е. переходы электронов между состояниями, расположенными в зоне проводимости и запрещенной зоне,
B - внутризонные переходы, т.е. переходы электронов между состояниями, расположенными только в зоне проводимости или только в запрещенной зоне,
C - переходы между примесными состояниями, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне,
D - переходы между примесными состояниями и состояниями для электронов в зоне проводимости или валентной зоне.

Межзонные переходы типа A обуславливают наиболее сильное поглощение или испускание света, с энергией близкой к ширине запрещенной зоны. hv > E_g. Эти переходы называют фундаментальными.

Рассмотрим два энергетических уровня E₁ и Е₂, один из которых E₁ характеризует основное, а другой Е₂ - возбужденное состояние.

Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой v₁₂, определяемой из соотношения hv₁₂=E₂-E₁.

Поглощение излучения

При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эту ситуацию можно изменить в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hv₁₂. Атом в состоянии E₁ поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние E₂. Это и составляет процесс поглощения излучения.

Спонтанное излучение

Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией hv₁₂ (спонтанная эмиссия). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10^-9-10^-3 с.

Стимулированное излучение

Столкновение фотона, обладающего энергией hv₁₂, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hv₁₂ и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).

В условиях теплового равновесия в основном состоянии находится больше атомов, чем в возбужденном. Если возникает обратная ситуация, то говорят об инверсной населенности. При взаимодействии фотонов, обладающих энергией hv₁₂, с простой системой, в которой уровень Е₂ инверсно заселен по отношению к уровню Е₁, стимулированное излучение будет преобладать над поглощением, и в результате систему будет покидать больше фотонов с энергией hv₁₂, чем входить в нее. Такое явление называется квантовым усилением.