FizykaII OO/Zasada działania lasera
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 [math]\unit{10^{17}}{\frac{W}{cm^2}}[/math] ( w palniku acetylenowo-tlenowym [math]\unit{10^{3}}{\frac{W}{cm^2}}[/math]),
- ukierunkowane (nierozbieżne).
Średni czas życia w stanie wzbudzonym [math]\unit{10^{-8}}{ s}[/math], w metatrwałym [math]\unit{10^{-3}}{ s}[/math].
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 = [math]\unit{10^{ -9}}{m}[/math]). 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.
