Главная > Разное > Теория поглощения и испускания света в полупроводниках
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Активные среды.

Работа квантовых генераторов и усилителей света основана на использовании стимулированного (вынужденного) испускания (§ 6). Существование такого испускания постулировано в 1916 г. А. Эйнштейном, который показал, что без стимулированного испускания невозможно установление термодинамического равновесия между излучением и веществом. Стимулированное испускание — вынужденный процесс, в результате которого под действием первичных квантов света появляются новые фотоны, а вещество теряет часть своей энергии.

Замечательное свойство стимулированного испускания, отмеченное П. Дираком в 1927 г., заключается в том, что возникающие в результате испускания вторичные кванты света совершенно неотличимы от первичных фотонов. И падающие и возникшие фотоны имеют в точности одинаковые частоты, фазы, поляризации и направления распространения. Стимулированное испускание выступает как отрицательное поглощение и уменьшает ослабление потока света в веществе (§ 13). Если в некотором веществе стимулированное испускание преобладает над поглощением, то свет, проходя через такое вещество, будет не ослабляться, а усиливаться. Это означает, что в законе Бугера (17.3) величина к отрицательна. Вещество, для которого коэффициент поглощения на одной или нескольких частотах меньше нуля, называется в квантовой электронике активной средой.

В веществе с дискретными уровнями энергии коэффициент поглощения на частоте равен [87]

где коэффициент Эйнштейна для вынужденных переходов; населенности и статистические веса уровней; групповая скорость света (§ 13).

Согласно (19.1), коэффициент поглощения отрицателен при условии, что

Так как при термодинамическом равновесии

неравенство (19.2) называется условием инверсной населенности.

В случае прямых межзонных переходов в полупроводниках коэффициент поглощения (14.18) можно представить в виде

Он будет отрицателен, если При термодинамическом равновесии это невозможно, так как Если же полупроводник выведен из состояния термодинамического равновесия, а распределение электронов и дырок в зонах характеризуется двумя квазиуровнями Ферми соответственно, то из требования следует условие инверсной населенности в полупроводниках на частоте [569]:

На основании универсального соотношения (7.11) можно сделать вывод, что условие инверсной населенности (19.5) справедливо и в том случае, когда правила отбора по волновому вектору не выполняются. Оно незначительно видоизменяется для оптических переходов, сопровождающихся поглощением и испусканием фононов [570].

Хотя с ростом температуры вещества населенности верхних энергетических уровней увеличиваются, а число частиц в основном состоянии уменьшается, из приведенных соотношений следует, что простым нагреванием вещества до самых высоких температур нельзя создать инверсную населенность и

получить отрицательный коэффициент поглощения. Для этой цели в квантовой электронике разработано несколько способов возбуждения вещества, называемых обычно накачкой.

Первое предложение использовать стимулированное испускание для усиления электромагнитных волн было высказано В. А. Фабрикантом в его докторской диссертации в 1939 г. Однако практически эта идея была реализована значительно позже при создании мазеров, лазеров, квантовых усилителей электромагнитного излучения и других устройств квантовой электроники.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление