Zapisz jako PDF

Nazwa „laser” to skrót od: Light amplification by the stimulated emission of radiation
(wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania).
Własności światła laserowego
monochromatyczne,
spójne,
można je skupić — energia rzędu
ukierunkowane (nierozbieżne).
Średni czas życia w stanie wzbudzonym
( w palniku acetylenowo-tlenowym
, w metatrwałym
),
.
Inwersja obsadzeń
kluczowe zjawisko dla lasera. Emisję wymuszoną wywołuje kwant o energii dokładnie równej energii
kwantu emitowanego przez elektron spadający ze stanu metatrwałego.
Zasada działania
Posłużę się najpierw mechanicznym, makroskopowym modelem. Wyobraźmy sobie trzy półki, na
których mogą spoczywać piłeczki. Stan równowagi to położenie wszystkich piłeczek na najniższej
półce, bo tam mają najniższą energię. Za pomocą małej katapulty umieszczamy piłeczki na
najwyższym poziomie. Jest to stan nietrwały, bo piłki natychmiast spadają na dół. To, co zostało
powiedziane przed chwilą, pozwala wytworzyć sobie obraz poziomów energetycznych elektronów w
atomie. Wzbudzenie ich to umieszczenie w stanie o wyższej energii. Jest to stan, w którym
przebywają niezwykle krótko i z którego spadają, emitując kwant promieniowania
elektromagnetycznego. No tak, ale mamy jeszcze trzecią półkę, która znajduje się między dwiema.
Załóżmy, że ma ona małe wgłębienia, które pozwalają piłeczkom zatrzymać się nieco dłużej. Nie jest
to stan tak stabilny, jak na dole, ale nie tak nietrwały, jak na górze. Jego istnienie, a właściwie jej
(półeczki) istnienie, pozwala na to, że na niej właśnie będą zatrzymywać się spadające piłeczki.
Wystarczy jednak lekkie potrącenie i wszystkie piłeczki jednocześnie spadną ze środkowej na półkę
dolną. W niektórych atomach występują takie stany energii elektronów, które nazywa się
metatrwałymi, czyli takie, które elektrony mogą zajmować dłużej niż normalne stany wzbudzone.
Właśnie taki stan może być obsadzony przez wiele elektronów, które, zanim dotrą do stanu
podstawowego, zatrzymają się w stanie metatrwałym. Wystarczy jednak impuls — kwant o energii
odpowiadającej różnicy energii poziomów, i wszystkie elektrony spadają na poziom podstawowy,
emitując kwanty promieniowania. Zjawisko nosi nazwę emisji wymuszonej. W krótkiej chwili
emitowana jest duża energia, a więc taki impuls ma dużą moc.
Do chwili wynalezienia laserów półprzewodnikowych pracowano najczęściej z laserami gazowymi —
helowo-neonowymi. Laser półprzewodnikowy zbudowany jest z dwóch półprzewodników o różnej
szerokości pasma wzbronionego. Ten, który ma szeroką przerwę, jest domieszkowany z jednej strony
donorowo, a z drugiej akceptorowe. Do tego miejsca wygląda jak zwykła dioda. Ale teraz uwaga — te
dwie części nie są ze sobą bezpośrednio połączone. Między nimi jest warstwa drugiego
półprzewodnika o mniejszej szerokości pasma wzbronionego. Taki układ nosi nazwę heterozłącza
półprzewodnikowego. Środkowy obszar — to warstwa rzędu kilkudziesięciu nanometrów (1
nanometr =
). Rysunek Figure 2 pokazuje poziomy energetyczne takiego złącza. Poziom
donorowy w obszarze pierwszym (Figure 1) jest wyżej niż granica pasma przewodnictwa w obszarze
drugim. Elektrony, gdy tylko przyłoży się niewielkie napięcie, podążą do tego obszaru. Z drugiej
strony, uczynią to samo dziury. W rezultacie w obszarze II uzyska się nagromadzenie elektronów i
dziur, których rekombinacja daje emisję kwantów promieniowania o ściśle określonej energii. Raz
jeszcze podkreślmy, że słowo „rekombinacja" można zastąpić wyrażeniem: zajmowanie przez
elektrony z pasma przewodnictwa stanów energetycznych w paśmie walencyjnym.
Schemat poziomów
ilustrujący stan wzbudzony
i stan metatrwały w
atomie
Schemat poziomów energii
heterozłącza. Elektrony z
poziomu donorowego I
półprzewodnika zajmują
możliwie najniższy poziom,
a jest nim poziom
przewodnictwa II
półprzewodnika. Poziom
akceptorowy z drugiej
strony złącza wzbogaca II
półprzewodnik w dziury.