Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Для возбуждения люминесценции энергия должна подводиться к телу каким-либо нетепловым способом. По способу возбуждения выделяют несколько видов люминесценции. Фотолюминесценция _ свечение вещества под действием оптического излучения (обычно видимого или ультрафиолетового). Электролюминесценция _ свечение под действием электрического поля (связана с протеканием через вещество электрического тока). Катодолюминесценция _ свечение вещества при бомбардировке его пучком быстрых электронов. Радиолюминесценция _ свечение некоторых сред под действием продуктов радиоактивного распада (а-, в - и у -лучей) и космического излучения. В современной оптоэлектронике чаще всего используется электролюминесценция твердых тел.
Спонтанное и вынужденное излучение. Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из атомов одного сорта. В энергетическом спектре атомов выделим два уровня с энергиями Et и Ej (рис. 3.1).
16
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
) k 1
By Bn
> ij i ' ij t J '
¦E
Рис. 3.1. Оптические переходы в двухуровневой системе
-E
Между выделенными уровнями возможны оптические переходы трех типов: спонтанные переходы с излучением (Лу), вынужденные переходы с излучением (By) и с поглощением (Bji) света. Энергия испускаемого (поглощаемого) при этом кванта равна Юу =(e - ej )/ *. а вероятности соответствующих переходов равны:
sp
Py = Лу
St
PJ = Byu(wy )>
рУ = ВцЫ (Wy ).
(3.3)
(3.4)
(3.5)
Здесь Лу - коэффициент Эйнштейна для спонтанных переходов, By и Вi - коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов с испусканием (By) и поглощением (Bji) кванта, и(юу) - плотность энергии излучения на частоте Юу в расчете на единицу объема. Коэффициенты Лу, By и Bi связаны между собой соотношениями:
лу=-^72
3
By; By = Bji, (3.6)
X~V~Vg gi
где и и иg - фазовая и групповая скорости света в веществе, gt и gj -
кратности вырождения или статистические веса уровней i и у.
Положительная и отрицательная люминесценция. Так как люминесценция есть превышение спонтанного излучения над тепловым излучением системы, для мощности люминесценции имеем:
Pi (юу ) =
ЛуП - giByu(wy)
пу
gi gi
j
JA
*Wy.
(3.7)
где и(юу) - плотность теплового излучения, ni и Пу - населенности
верхнего и нижнего уровней. В состоянии термодинамического равновесия населенности уровней распределены по Больцману:
gi
п
hwy
J е ~
gj
17
(3.8)
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Если в результате нарушения равновесия окажется, что
hojjj
п п,----------
> —e kT , (3.9)
gi gj-
то мощность люминесценции будет положительной. При выполнении обратного соотношения мощность люминесценции окажется отрицательной. Понятие об отрицательной люминесценции впервые было введено Б. И. Степановым в 1955 - 1956 годах.
Оптическое усиление и суперлюминесценция. Введем коэффициент поглощения в среде на частоте ш- в расчете на единицу длины
а[ю-). Тогда выражение (3.7) можно переписать в виде:
Pl [ш- ) = Psp [ш- ) - иgа[ш- )и[ш- ). (3-10)
Сравнивая формулы (3.7) и (3.10), для коэффициента а[ш-) получаем:
(3.11)
a[(°ij)=—- giBij —----------
иg I g- gi 0
Согласно данному выражению и формуле Больцмана (3.8), коэффициент поглощения системы в состоянии равновесия равен
, ( ка)ц Л
п
a[(°ij )=—- giBij — ug g-
____—
1 - e kT
> 0, (3.12)
v /
т. е. в отсутствие возбуждения этот коэффициент положителен. Согласно формуле (3.11), он станет отрицательным, если окажется, что
п п,
— >— . (3.13)
gi g j
Если к соотношению (3.13) применить формулу Больцмана, то одновременно следует предположить, что температура системы отрицательна:
T < 0 . (3.14)
Состояние вещества, при котором выполняется условие (3.13) или (3.14), называется состоянием с инверсной населенностью уровней, или состоянием с отрицательной температурой. Такое состояние может возникнуть, если вещество подвергается достаточно мощному внешнему возбуждению нетепловой природы. Такого рода внешнее воздействие называется накачкой, а вещество с инверсной населенностью уровней -активным веществом.
Отрицательность коэффициента поглощения означает, что вещество в инверсном состоянии способно усиливать падающее на него излучение, т. е. может служить оптическим квантовым усилителем. Кроме того, в инверсной среде неизбежно возникает собственная люминесцен-
18
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
ция - результат спонтанных переходов, стремящихся вернуть систему в равновесное состояние. Испускаемые при этом кванты будут вызывать вынужденные переходы. Собственную люминесценцию, усиленную за счет вынужденного излучения, называют усиленной люминесценцией, или суперлюминесценцией.
Лазерная генерация. Для превращения оптического усилителя в оптический квантовый генератор или лазер необходимо обеспечить положительную оптическую обратную связь достаточной величины.
Рис. 3.2. Схема лазера:
1 и 2 - зеркала резонатора; 3 - активное вещество; 4 - система накачки
1
9
3
4
L
2
Такая положительная обратная связь создается путем помещения активного вещества в открытый оптический резонатор, образованный двумя параллельными зеркалами и не имеющий боковых поверхностей (рис. 3.2). По крайней мере одно из этих зеркал делается полупрозрачным для вывода генерируемого излучения из лазера.
