Φυσική των LASER

Η αναλογία των πληθυσμών ατόμων σε δύο ενεργειακές στάθμες E0 και E1, με Ν0 και Ν1 να είναι οι αντίστοιχοι πληθυσμοί.

Η πιθανότητα ενός ατόμου να απορροφήσει φως και να μετακινηθεί από μια χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη E0 σε μια υψηλότερη E1.

Η πιθανότητα ενός ατόμου να εκπέμψει φως και να μετακινηθεί από μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη E1 σε μια χαμηλότερη E0.

Η πιθανότητα ενός ατόμου να εκπέμψει φως σε συνδυασμό με την επίδραση άλλων ατόμων/φωτονίων.

Η ισορροπία μεταξύ της απορρόφησης και της εκπομπής φωτός σε ένα άτομο, όπου η συνολική ενέργεια εξισορροπείται.

Η πυκνότητα ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (Joule/m3), δηλαδή πόση ενέργεια φτάνει σε μία συγκεκριμένη περιοχή.

Η σχέση μεταξύ της πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας (J) και της πιθανότητας απορρόφησης (B01) και εκπομπής (A10, B10), λήπτεννς υπόψη την αναλογία των πληθυσμών.

Η δυνατότητα ενός ατόμου να εκπέμψει φως εξαρτάται από την πιθανότητα απορρόφησης, την πιθανότητα αυθόρμητης εκπομπής, την πιθανότητα εξαναγκασμένης εκπομπής, και την αναλογία των πληθυσμών σε ενεργειακές στάθμες.

Η αναλογία μεταξύ του ρυθμού εξαναγκασμένης εκπομπής και του ρυθμού αυθόρμητης εκπομπής.

Ο ρυθμός εξαναγκασμένης αποδιέγερσης ισούται με τον ρυθμό της αυθόρμητης αποδιέγερσης συν τον ρυθμό εξαναγκασμένης διέγερσης.

Η πιθανότητα αποδιέγερσης είναι πάντα μεγαλύτερη από την πιθανότητα διέγερσης σε ένα σύστημα δύο επιπέδων.

Η κατάσταση όπου περισσότερα άτομα βρίσκονται στην υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση.

Σύστημα με τουλάχιστον τρία ενεργειακά επίπεδα που επιτρέπει την αντιστροφή πληθυσμών.

Η διαδικασία που 'αντλεί' άτομα στην ανώτερη ενεργειακή κατάσταση.

Σύστημα που δημιουργεί ισχυρή και συνεκτικό φωτεινή ακτίνα, μέσω της εξαναγκασμένης εκπομπής.

Συνεκτικότητα, μονοχρωματικότητα, κατεύθυνση

Μια κατάσταση με χαμηλότερη ενέργεια από την ανώτερη ενεργειακή κατάσταση, που επιτρέπει την 'παγίδευση' των ατόμων στην ανώτερη κατάσταση.

Τα διοδικά laser προέρχονται από ενώσεις ημιαγωγών όπως GaAlAs, InGaAs ή InGaAsP. Αυτές οι ενώσεις ημιαγωγών έχουν άμεση μετάβαση, δηλαδή η ενέργεια από τη ζώνη σθένους μπορεί να μεταφερθεί άμεσα στη ζώνη αγωγιμότητας.

Σε ημιαγωγούς με εμμέσου ενεργειακού χάσματος, όπως το Πυρίτιο, η μετάβαση ενέργειας δεν συνοδεύεται από εκπομπή φωτός, οπότε δεν είναι κατάλληλα για LED ή laser.

Το υλικό κατασκευής, ειδικά το εύρος ενεργειακού του χάσματος, καθορίζει το μήκος κύματος εκπομπής του λέιζερ. Η προσθήκη προσμίξεων με διαφορετικά ενεργειακά χάσματα επιτρέπει εκπομπή σε διαφορετικά μήκη κύματος. Σε ενώσεις ημιαγωγών τριών ή τεσσάρων στοιχείων, η ενέργεια μετάβασης ενεργειακού χάσματος αλλάζει με τα ποσοστά των προσμίξεων.

Τα απλούστερα διοδικά λέιζερ κατασκευάζονται από 2 στοιχεία, όπως το GaAs. Μετά από κατάλληλες προσμίξεις, παράγονται τα στρώματα P και N για τη δημιουργία επαφής p-n.

Το φασματικό εύρος του laser είναι πολύ μικρό (h/2π) και επειδή ο χρόνος ζωής μιας στάθμης είναι μεγάλος αλλά όχι άπειρος, αναγκαστικά το ενεργειακό εύρος της ακτινοβολίας είναι μη μηδενικό.

Στα αέρια laser, η κίνηση των μορίων δημιουργεί φασματική διεύρυνση λόγω του φαινομένου Doppler.

Στην κοιλότητα του laser, μόνο τα μήκη κύματος που αποτελούν ακέραια υποπολλαπλάσια του L (μήκος κοιλότητας) ενισχύονται, καθώς συμβάλουν σε συμφωνία φάσης και ενισχυτικά.

Ο αριθμός των φασματικών γραμμών που μπορεί να υποστηρίξει ένα λέιζερ εξαρτάται από την δομή της κοιλότητας και το ρεύμα λειτουργίας.

Μια κατάσταση στην οποία ένα άτομο παραμένει για μεγάλο χρονικό διάστημα πριν αποδιεγερθεί, με χρόνο ζωής μεγαλύτερο από 10^-7 s.

Μια μετάβαση μεταξύ ενεργειακών επιπέδων που δεν παραβιάζει κανόνες διατήρησης φυσικών ποσοτήτων, όπως η ενέργεια, η ορμή, η στροφορμή, το spin και η ισοτιμία.

Μια μετάβαση μεταξύ ενεργειακών επιπέδων που παραβιάζει έναν ή περισσότερους κανόνες διατήρησης φυσικών ποσοτήτων.

Η διαδικασία κατά την οποία ένα άτομο επιστρέφει σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση.

Η διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο εκπέμπεται από ένα άτομο.

Η διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο προκαλεί ένα άτομο να εκπέμψει ένα δεύτερο φωτόνιο.

Η κατάσταση όπου υπάρχουν περισσότερα άτομα σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση σε σχέση με χαμηλότερη.

Συσκευή που παράγει ακτινοβολία Laser.

Σύστημα τριών ή περισσότερων ενεργειακών επιπέδων

Η συχνότητα του φωτός που εκπέμπεται από ένα Laser.

Σε χαμηλές τιμές ρεύματος, η δίοδος εκπέμπει φως με χαρακτηριστικά LED. Δεν λαμβάνει χώρα αντιστροφή πληθυσμών, οπότε η εκπομπή δεν είναι λέιζερ.

Η δίοδος αρχίζει να εκπέμπει φως με χαρακτηριστικά λέιζερ, καθώς η ένταση του ρεύματος αυξάνεται και επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμών. Μπορεί να παρατηρηθούν ταυτόχρονα χαρακτηριστικά LED και λέιζερ.

Μια συνθήκη όπου το ρεύμα αυξάνεται ακόμα περισσότερο και το φως που εκπέμπεται έχει σχεδόν μόνο χαρακτηριστικά λέιζερ. Η αντιστροφή πληθυσμών είναι πλήρης.

Η ενέργεια που εκπέμπεται από μια δίοδο GaAs/AlGaAs είναι διαφορετική ανάλογα με την ένταση του ρεύματος πόλωσης.

Η ενεργειακή κατανομή είναι μεγάλη και δεν υπάρχει αντιστροφή πληθυσμών, γεγονός που οδηγεί σε λειτουργία LED.

Το εύρος της ενεργειακής κατανομής στενεύει, καθώς η έντασή του ρεύματος πλησιάζει το κατώφλι.

Το εύρος είναι πολύ στενό και συγκεντρώνεται σε ορισμένες κυματινές περιοχές. Η δίοδος λειτουργεί ως Laser.

Η ένταση του εκπεμπόμενου φωτός δεν φαίνεται στην εικόνα λόγω των κανονικοποιημένων καμπυλών.

Η εκπομπή φωτός από μια δίοδο Laser είναι μονοχρωματική και ο συγκεκριμένος χρωματισμός εξαρτάται από το υλικό της διόδου.