Invers bandlik

Инверс бандлик нима эканлигини тушуниш учун баъзи термодинамика ва ёруғликнинг материя билан ўзаро таъсирини тушуниш керак. Бунинг учун лазер муҳитини ташкил этувчи атомларнинг жуда оддий йиғилишини кўриб чиқиш фойдали бўлади.

Фараз қилайлик, ${\дисплайстйле Н}$ атомлар гуруҳи мавжуд бўлиб, уларнинг ҳар бири иккита энергия ҳолатидан бирида бўлиши мумкин:

1. Асосий ҳолат, ${\дисплайстйле Э_1}$ энергия билан;
2. ${\дисплайстйле Э_2}$ энергия билан, ${\дисплайстйле Э_2 > Э_1}$ билан уйғонган ҳолат

Асосий ҳолатда бўлган бу атомларнинг сони ${\дисплайстйле Н_1}$, уйғонган ҳолатдаги сони эса ${\дисплайстйле Н_2}$ билан белгиланади. Жами ${\дисплайстйле Н}$ атом борлиги сабабли,

${\дисплайстйле Н_1 + Н_2 = Н}$

Икки ҳолат ўртасидаги энергия фарқи қуйидагига тенг:

${\дисплайстйле \Делта Э_{12} = Э_2-Э_1,}$

Атомлар билан ўзаро таъсир қиладиган ёруғликнинг ${\дисплайстйле \ну_{12}}$ характеристик частотасини аниқлайди; Бу қуйидаги муносабат билан берилади:

${\дисплайстйле {\дисплайстйле Э_{2}-Э_{1}=\Делта Э_{12}=ҳ\ну _{12},}}$

${\дисплайстйле ҳ}$ — Планк доимийси.

Агар атомлар гуруҳи иссиқлик мувозанатида бўлса, Максвелл-Болтзман статистикасидан шуни кўрсатиш мумкинки, ҳар бир ҳолатдаги атомлар сонининг нисбати Болцманнинг иккита тақсимотининг нисбати, Болцман фактори билан берилади:

${\дисплайстйле \фраc{Н_2}{Н_1} = \эхп{\фраc{-(Э_2-Э_1)}{кТ}},}$

Мажбурий нурланиш содир бўлиш тезлиги уйғонган ҳолатдаги ${\дисплайстйле Н_2}$ атомлари сонига ва ёруғликнинг нурланиш зичлигига пропорсионалдир. Битта қўзғалувчи атомда стимуляцияланган эмиссияга сабаб бўлган фотоннинг асосий эҳтимоли Алберт Эйнштейн томонидан фотоннинг асосий ҳолатдаги атом томонидан ютилиши эҳтимолига тўлиқ тенг эканлигини кўрсатди. Шунинг учун, асосий ва қўзғатилган ҳолатлардаги атомлар сони тенг бўлганда, стимуляция қилинган эмиссия тезлиги маълум бир нурланиш зичлиги учун ютилиш тезлигига тенг бўлади.

Мажбурий нурланишнинг муҳим тафсилоти шундаки, индуксияланган фотон тушаётган фотон билан бир хил частота ва фазага эга. Бошқача қилиб айтганда, иккита фотон когерентдир. Айнан шу хусусият оптик кучайтириш ва лазер тизимини ишлаб чиқариш имконини беради. Лазернинг ишлаши давомида юқорида тавсифланган учта ёруғлик-материя ўзаро таъсири содир бўлади. Дастлаб, қуйида тасвирланган дамлаш деб аталадиган жараён орқали атомлар асосий ҳолатдан қўзғалувчан ҳолатга қадар қувватланади. Ушбу атомларнинг баъзилари ўз-ўзидан эмиссия йўли билан парчаланиб, частотали фотонлар сифатида ноггерент нурни чиқаради. Ушбу фотонлар одатда оптик резонатор томонидан лазер муҳитига қайтарилади. Ушбу фотонларнинг баъзилари асосий ҳолатдаги атомлар томонидан ютилади ва фотонлар лазер жараёнига йўқолади. Бироқ, баъзи фотонлар уйғонган ҳолатдаги атомларда стимуляцияланган эмиссияга олиб келади ва бошқа когерент фотонни чиқаради. Аслида, бу оптик кучайтиришга олиб келади<реф.Разегҳи, Манижеҳ (2009). "Ҳигҳ-Перформанcе ИнП-Басед Мид-ИР Қуантум Cасcаде Ласерс". ИЭЭЭ Жоурнал оф Селеcтед Топиcс ин Қуантум Элеcтрониcс. </реф>.

Агар вақт бирлигида кучайтирилаётган фотонлар сони ютилган фотонлар сонидан кўп бўлса, аниқ натижа доимий равишда кўпайиб бораётган фотонлар ҳосил бўлади; лазер муҳити бирликдан каттароқ эффективликка эга дейилади.

Юқоридаги ютилиш ва мажбурий нурланиш таърифларидан маълумки, бу икки жараённинг тезлиги асосий ва қўзғатилган ҳолатлардаги атомлар сонига мутаносиб равишда ${\дисплайстйле Н_1}$ ва ${\дисплайстйле Н_2}$. Агар асосий ҳолат қўзғатилган ҳолатдан (${\дисплайстйле Н_1 > Н_2}$) кўпроқ бандликка эга бўлса, у ҳолда ютилиш жараёни устунлик қилади ва фотонларнинг аниқ сусайиши мавжуд. Агар икки ҳолатнинг бандликлари бир хил бўлса (${\дисплайстйле Н_1 = Н_2}$), ёруғликнинг ютилиш тезлиги эмиссия тезлигини аниқ мувозанатлайди; кейин восита оптик жиҳатдан шаффоф дейилади.

Агар юқори энергия ҳолати қуйи энергия ҳолатига қараганда кўпроқ бандликка эга бўлса (${\дисплайстйле Н_1 < Н_2}$), у ҳолда эмиссия жараёни устунлик қилади ва тизимдаги ёруғлик интенсивлигининг аниқ ортишига учрайди. Шундай қилиб, стимуляцияланган эмиссияларнинг ютилишга қараганда тезроқ тезлигини ишлаб чиқариш учун икки ҳолат бандликларининг нисбати ${\дисплайстйле Н_2/Н_1 = Н_2}$ бўлиши кераклиги аниқ; Бошқача қилиб айтганда, лазер операцияси учун инверс бандлик талаб қилинади.

Шунингдек қаранг

Оптик резонатор

Лазер генерацияси

Иккинчи гармоника генерацияси