Stimulovaná a spontánní emise záření: Základní princip

Laserové diody (LD) - polovodičové lasery jsou nové typy zdrojů optického záření s kvalitativně novými, lepšími vlastnostmi ve srovnání s nekoherentními zdroji (např. luminiscenční diodou LED). Optické záření generované laserem je soustředěno do velmi úzkého intervalu vlnových délek, samotný laser se vyznačuje vysokou zářivostí a malou rozbíhavostí (divergencí) laserového svazku.

Generace světla

Při přechodech elektronů ze stavu s větší energií do stavu s menší energií během emise fotonů je generováno záření. Soustavami, jež emitují fotony, jsou atomy ve volném stavu (v plynu), ionty ve volném stavu nebo zabudované v krystalové mřížce krystalu látky, dále molekuly, poruchy v krystalové mřížce nebo atomy příměsí v monokrystalech. V dalším textu bude výklad omezen pouze na elektrony.

Absorpce energie

Elektrony se dostávají do stavu excitace (vybuzení) v důsledku absorpce (pohlcování) energie. V případě laserových či luminiscenčních diod jde o elektrickou energii (dále např. optická či tepelná energie). Vlivem absorpce energie (dopadající „foton“ - kvantum světelné energie) přeskočí elektron na vyšší energetickou hladinu.

Je důležité si uvědomit, že foton je absorbován (elektron přeskočí na hladinu s větší energií) jen tehdy, je-li jeho energie rovná rozdílu mezi energií odpovídající té hladině, na niž se elektron dostává, a energií hladiny, na níž se elektron před skokem pohyboval. Pro absorpci i emisi viditelného světla nebo infračerveného záření jsou vhodné látky, šířka jejichž zakázaného pásu je několik (1 až 4) elektronvoltů, tedy polovodiče.

Elektrony setrvávají v excitovaném stavu velmi krátkou dobu (10^-3 až 10^-7s), poté se vracejí zpět za současné emise fotonu, popř. fononu (kvantum tepelné energie). Při emisi fotonu jde o zářivý přeskok. Emise může proběhnout jako spontánní (samovolná - luminiscenční diody), nebo stimulovaná (vynucená - laserový režim).

Čtěte také: Jak funguje laser?

Spontánní emise záření

V okamžiku t₁ je absorbován foton neboli kvantum světelné energie určité vlnové délky. V okamžiku t₂ přejde elektron zpět do základního stavu. Protože jde o přeskok elektronu mezi stejnými (stejně vzdálenými) energetickými hladinami (W₁ a W₀), vyzáří se světelné kvantum mající stejnou energii jako to, které bylo v okamžiku t₁ absorbováno. To znamená, že absorbované i emitované světlo mají stejnou frekvenci, resp. vlnovou délku λ; λ = c/f, kde c je rychlost světla ve vakuu. Jde o tzv. spontánní emisi záření.

Časový interval Δt = t₂ - t₁ se při opakovaných excitacích v určitém rozmezí mění. Protože uvažovaná soustava má pouze dvě energetické hladiny, může absorbovat i emitovat pouze fotony jediné velikosti energie. Znamená to, že při dopadu záření obsahujícího celé pásmo frekvenčních složek (např. slunečního světla) využije kvantová soustava jen jedinou složku budicího světla.

Tuto frekvenční složku soustava opět vyzáří. Vyzařované světlo je tedy monochromatické, se spektrem obsahujícím pouze jedinou spektrální čáru. Je důležité si uvědomit nahodilost, časovou i prostorovou nesouhlasnost emise zářivých kvant. Excitované elektrony přecházejí do stavu s minimální energií samovolně, spontánně v různých časových okamžicích. Světelná kvanta vystupující z látky proto mají různé fáze i různou polarizaci kmitů. Výsledné světlo je nekoherentní. Popsané děje nastávají ve většině světelných zdrojů (v žárovkách, výbojkách, luminiscenčních diodách).

Luminiscenční dioda LED

LED (light emitting diode) je zdroj nekoherentního záření. Princip luminiscenční diody je založen na rekombinaci, tzn. rekombinuje-li elektron s dírou, odevzdává energii zhruba rovnou šířce zakázaného pásu. Injekcí majoritních nosičů do polovodiče opačné vodivosti při přiložení napětí na PN přechod v propustném směru se zvýší pravděpodobnost rekombinace, a často k ní také dochází.

Při rekombinaci každého páru elektron-díra se uvolní určité kvantum energie, které se může buď vyzářit mimo krystal, nebo být absorbováno v mříži. Vhodnými materiály jsou polovodiče s tzv. přímým přechodem (nevzniká fonon) a větší šířkou zakázaného pásu. Používané kombinace materiálů jsou GaAsP GaP, GaAlAs (červená), InGaP, SiC (zelená a modrá).

Čtěte také: LED: Spontánní Emise

Diody emitující světlo se používají k indikaci (nahrazení nespolehlivých žárovek), v zobrazovačích informací (sedmisegmentový či maticový zobrazovač), ve směrových světlech automobilů. Perspektivní aplikací LED se světlem vhodných barev (model RGB; R - red, G - green, B - blue) mohou být ploché obrazovky.

Stimulovaná emise záření

V soustavě se dvěma energetickými hladinami v okamžiku t₁ nastane excitace elektronu. Po uplynutí určitého časového intervalu Δt by elektron spontánně přešel zpět do základního stavu, přičemž by byl vyzářen foton s energií W₁ - W₀ nahodilého směru šíření a nahodilé fáze i polarizace vlnění.

Je-li do soustavy přiveden foton s energií rovnou energetickému rozdílu uvažovaných hladin v časovém okamžiku t₂, který předchází okamžik vzniku spontánní emise, přejde elektron do základního stavu již v okamžiku t₂. Foton, který svou přítomností tento přechod způsobil, se nazývá stimulující.

Přechod elektronu do stavu s menší energií, vyvolaný stimulujícím fotonem, je doprovázen vyzářením fotonu, který má stejnou energii, stejný směr šíření, stejnou fázi i polarizaci vlnění jako stimulující foton. Stimulující foton se uvažovanou kvantovou soustavou nepohltil, pouze soustavou prošel a k němu se přidal stimulovaný foton (do soustavy vstupuje jeden foton - vystupují dva fotony). Odpovídající záření jsou navzájem koherentní.

Popsaný jev, nazývaný stimulovaná emise záření, se využívá k zesilování světla. V běžných podmínkách (v termodynamické rovnováze) probíhá v látce, do níž je přiváděna energie, jak stimulovaná, tak i spontánní emise. Spontánní emise však převládá.

Čtěte také: Živá příroda a spontánnost

Inverzní populace

V látce s termodynamickou rovnováhou převládá počet elektronů v základním stavu (schopných absorpce, N₀) nad počtem excitovaných elektronů (schopných emise, N₁). V takovéto látce s tzv. rovnovážnou populací se intenzita procházejícího světla zeslabuje.

Nastane-li však případ, že N₀ < N₁, bude se intenzita procházejícího světla zesilovat v závislosti na délce z průchodu látkou. Jedná se o základní podmínku funkce laseru. Požadovaného stavu látky může být dosaženo přiváděním vhodného množství energie, tzv. buzením či čerpáním.

V důsledku absorpce budící energie se zmenšuje počet neexcitovaných elektronů N₀. Při určitém tzv. prahovém výkonu budicího zdroje, kdy se ztráty vyrovnávají ziskům, je N₀ = N₁ a po dalším buzení převládne počet excitovaných elektronů N₁. Látka je v nerovnovážném energetickém stavu, vzniká tzv. inverzní populace. Látka v tomto stavu tvoří tzv. aktivní laserové prostředí, jež je schopno zesilovat světlo. Po vyzáření energie se látka vrací do rovnovážného stavu.

Optické rezonátory a módy

Základním stavebním prvkem každého laseru je rezonátor. Optickým rezonátorem se rozumí dutina obklopená odrazovými plochami, v níž je pasivní dielektrické prostředí. Odrazy záření v rezonátoru se využívají k dosažení inverzní populace.

Nejjednodušším příkladem optického rezonátoru je soustava dvou rovnoběžných rovinných zrcadel obdélníkového tvaru v určité vzdálenosti, tzv. Fabryův-Perotův rezonátor. Energetické pole v dutině rezonátoru má charakter stojatých vln. Vlivem destruktivní a nedestruktivní interference vln, které se odrážejí od stěn, se ustálí elektromagnetické pole tzv. módů (vidů). Módy mohou být tvořeny pouze zářením o takových vlnových délkách, že rozměry rezonátoru lze vyjádřit jako celistvý násobek jejich poloviny.

tags: #stimulovaná #a #spontánní #emise #princip

Oblíbené příspěvky:

• Skládka Frýdek-Místek: Co potřebujete vědět
• Důvody ohrožení orangutanů
• Aktuální Měření Ovzduší Pohořelice
• Ekologické organizace v ČR
• Policie navrhuje obžalobu v kauze AVE CZ