Население инверсия - това
Болцман разпределение и термодинамично равновесие
За да се разбере концепцията за инверсия на населението, е необходимо първо да се изяснят някои аспекти на термодинамиката и законите на взаимодействието на светлината с материята. Например, да предположим, че работното тяло лазер състои от няколко атома. всеки от които може да бъде в един от двата енергийни състояния:
Броят на атомите в основното състояние, ние се равнява на N1. и броят на възбудени атома - N2.
Така, общият брой на атомите е
Разликата между енергийните нива ЛЕ = Е2 -E1
ν21 определя характеристика честотата на светлината, която взаимодейства с атома. Можете да го намерите чрез следното уравнение:
Ако една група от атоми е в термично равновесие, броят на атомите в всяка страна може да бъде намерен с помощта на разпределението Болцман:
,
По този начин, ние може да се изчисли населена всяко ниво на енергия за стайната температура (Т ≈300K) за енергия ЛЕ. видимата светлина (ν≈5 · 14 октомври Hz).
Тъй като Е2 - Е1 >> КТ. Следователно експонентата в експресията горе е голяма отрицателна стойност, г. д. N2 / N1 е изключително малък, а броят на възбудени атоми е практически нула.
По този начин, в случай на термодинамично равновесие състояние с най-ниска енергийна възбудено състояние е много по-популярен и това е нормалното състояние на системата. Ако е възможно по някакъв начин да се промени положението, т.е.. Е. За да бъде N2 / N1> 1, а след това ще бъде възможно да се каже, че системата е преминала в състояние с население инверсионни електроника.
Анализът на тези резултати показват, че в случай на термодинамично равновесие, съгласно разпределението Болцман за всички положителни стойности на ЛЕ и температура, N1 винаги ще бъде значително по-голяма от N2. От това следва, че за инверсия на населението, системата може да не е в термодинамично равновесие.
Взаимодействието на светлина и значение
В природата съществуват три механизма на взаимодействие на светлина с вещества, които са от интерес в този случай:
Ако светлина (фотони ν21 честота) преминава през група от атоми, има вероятност, че светлината се абсорбира от атом в основното състояние, причинява преход до възбудено състояние. Вероятността за абсорбция е пропорционална на интензитета на светлината, както и броят на атомите N1. в основно състояние.
спонтанна емисия
Ако атом е в възбудено състояние, той може да се движи спонтанно към основното състояние с вероятност пропорционална на броя на възбудени атома N2. ЛЕ на енергия разлика между тези състояния така излъчена атом като фотон честота ν21 а. който може да се намери от експресията дадена по-горе.
В този процес, фотони се излъчват произволно (стохастични) т. Е. фаза вълни такива фотони не съвпадат. С други думи, спонтанната емисия е непоследователен. При липса на други условия, броят на възбудени атома в момент може да се дефинира като
,
където N2 (0) - броят на възбудени атоми при време Т = 0, τ21 - очакваното време на прехода между двете страни.
Ако един атом е вече във възбудено състояние, преходът към основното състояние може да се случи със сила, ако има ще се проведе един фотон на честота ν21. съответното енергийно ЛЕ. В този атом ще излъчва втора фотон честота ν21. От първия фотон не е поглъщане на изхода вече имаме два фотона на една и съща честота. Такъв процес се нарича стимулирано излъчване. Брой насилствено излъчване атома пропорционални на броя на атоми във възбудено състояние на N2. както и външен интензитет на лъчение.
Ключовият момент на стимулиран процеса на емисии е, че на втория фотон има същата честота и фаза, както първата. С други думи, както фотоните са съгласувани. Това свойство позволява процеса на оптичен печалба, а оттам и развитието на лазери.
По време на лазерна операция се извършва, всички три описания по-горе взаимодействие на светлина с механизъм значение. В началните незабавни атомите, се прехвърлят към възбудено състояние от процеса на изпомпване. който е описан по-долу. Някои от тези атоми спонтанно излъчва несъгласувани фотони честота ν. Тези фотони се връщат в работния орган лазер с оптичен резонатор. лазер елемент дизайн. Някои от тези фотони ще бъде поето от атоми в основно състояние, и те ще бъдат загубени за процеса на лазера. Другата част ще предизвика стимулирано излъчване на възбудените атоми, ще се създаде съгласувана фотони. В резултат на това, ние получаваме оптично усилване.
Ако броят на фотоните, които участват в подобряването на единица време по-голям от броя на фотоните се абсорбира атоми, общият брой на фотони започне да се увеличава, а това може да се каже, че коефициентът на работния флуид е печалба по-голяма от единство.
Ако съотношението използване дадени по-горе за абсорбция и стимулирани емисии, интензитетът на всеки процес, е пропорционален на броя на атомите в земята и възбудено състояние на N1 и N2. Ако броят на атомите в основното състояние е много по-голяма, отколкото в развълнуван (N1> N2), процесът на усвояване ще доминира всичко фотона се абсорбира. В случай на равенство на тези стойности (N1 = N2), количеството на абсорбция на факти ще съответства на броя на стимулирано излъчване на фактите, и работната среда е оптически прозрачни. Ако броят на възбудените атоми ще преобладават (N1 Както бе споменато по-горе, необходимо за работата на инверсия на лазерния население, но за да го получите на група от атоми, не може да бъде в термодинамично равновесие. В действителност, директен трансфер на атома във възбудено състояние винаги се компенсира от процесите на спонтанна и стимулирана емисия. Най-доброто, което може да се постигне в тази ситуация - оптичната прозрачност в случай на N1 = N2 = N / 2, но няма печалба. За да се постигне без равновесно състояние, трябва да използвате косвени методи за прехвърляне на атома във възбудено състояние. За да се разбере как работи това, ние ще използваме по-реалистичен модел, известен като лазер на три нива. Разгледа отново групата на N атоми, но сега всеки може да бъде в три различни енергийни състояния, при нива на 1, 2 и 3 с енергия Е1, Е2 и Е3. в размер на N1. N2 и N3. съответно. В същото време диаграмата на енергийно ниво ще изглежда така: В началото система атоми е в термодинамично равновесие, повечето от атомите в основното състояние, т.е.. Е. N1 ≈ N. N2 ≈ N3 ≈ 0. Ако сега осветяване атома светлина честота ν31. където E3 -E1 = Н ν31 (ч - константата на Планк), чрез абсорбция, атоми ще започнат прехода към възбудено състояние на ниво 3. Това се нарича изпомпване. и то не винаги е причинена от светлина. За тази цел, също се използва токови удари или химични реакции. Ниво 3 също понякога се нарича помпа или помпена ниво група. и енергия преход Е1 → Е3 - изпомпване на преход. което е показано с буквата Р на диаграмата. Ако продължим изпомпване на атома, ние сме развълнувани до ниво 3 достатъчно от тях, разбира се. Д. N3> 0. След това, ние трябва да атоми бързо се премества в ниво 2. Освободен докато енергия може да се излъчва като механизъм фотон на спонтанна емисия, но на практика работният орган лазер е избран така, че преминаването 3 → 2, обозначена на схемата с буквата С. предава без радиация, и енергията, изразходвани за нагряване на работния флуид. при 2 атом може да отиде до нивото на земята, спонтанно излъчване фотон на честота ν21 (който може да се намери от експресията Е2 -E1 = Н ν21). Този процес е илюстриран на диаграмата от буквата L. Времето преди времето за преход значително надвишава τ21 nonradiating преход → 3 2 - τ32 (τ21 >> τ32). При това условие, броят на атомите на ниво 3 ще бъде приблизително равна на нула (N3 ≈ 0) и броят на атомите при 2 - по-голяма от нула (N2> 0). Ако на това ниво ще бъде в състояние да държи повече от половината от атоми между нивата на 1 и 2, с инверсия на населението е достигнато. и на ν21 честота започва оптично усилване. В такава система, когато изпомпват P атоми излизат от основното състояние (ниво 1) на ниво помпа 4. Ниво 4 атома, чрез бърз преход nonradiating Ра - на ниво 3. От времето преди времето за преминаване на L е много по-голяма, отколкото преди включване Ра. 3 натрупват в атомите, които след това посредством спонтанно или стимулирани емисии да преминават ниво 2. Това ниво бърз преход Rb атом може да се върне към основното състояние. Както и в предишния случай, присъствието на бърз преход Ra причинява че N4 ≈ 0. В лазер четири нива, благодарение на бързото преминаване на втория Rb. броят на атомите при 2 и клони към нула (N2 ≈ 0). Това е важно, тъй като по-голямата сума от атоми натрупани на ниво 3, който образува ниво популация инверсия 2 (N3> 0, където N3> N2). Получени оптичен печалба (и по този начин действието на лазерния) се появява при честота ν32 (E3 -E2 = Н ν32) Що се отнася до образуването на инверсия на населението в лазер четири нива е достатъчно малък брой атоми, такива лазери са по-практични. Това е така, защото база броя на атомите остава на ниво 1 и се образува инверсия населението между нивата 3 (където а е броят на възбудени атома) и ниво 2, когато на практика не атома, защото те бързо падне до ниво 1. Всъщност, можете да направите редица лазери с нива на мощност по-голяма от четири. Например, лазерно изпомпване може да бъде няколко нива, или те могат да образуват непрекъсната лента, което позволява на лазера да работят в широк обхват на дължини на вълните. Трябва да се отбележи, че енергийната прехода на оптично изпомпване на три- и четири ниво лазери надвишава енергията на излъчване на прехода. От това следва, че честотата на изпомпване радиация трябва да бъде по-голяма от честотата на изхода на лазерното лъчение. С други думи, дължината на вълната на помпата е по-къса от дължината на вълната на лазера. Така за някои работни течности, може да обработи това се случва, когато стъпала на помпата, чрез няколко нива. Такива лазери се наричат преобразуване лазери (с кооперативно действие на лазера). Въпреки факта, че повечето лазери процес, наречен преход от атоми между електронни нива на енергия, описани по-горе, това може да не е единственият механизъм на лазера. Много от често използваните лазери (например боядисване лазери. Лазери въглероден диоксид), при което работната среда се състои от молекули, чиито нива на енергия може да съответства на начините на вибрации на тези молекули. В случай на водни masers. Този процес се среща в природата. Населението инверсия - не-равновесно състояние на материята, в която населението на горните енергийни нива на двойка от един вид атоми (йони, молекули), включени в веществото надвишава долната населението. Население инверсия е в основата на лазери и ... ... академично издание на речника Населението инверсия - 20. населението инверсия състояние на полупроводника, където концентрацията на носители на заряд в възбудени нива над равновесие Източник: ГОСТ 22622 77: полупроводникови материали. Термините и определенията на основните електрически ... ... речник на термините на нормативната и техническа документация Населението инверсия - neravnonesnoe състояние в WA, когато ром населена отгоре на двойка на енергийните нива на един вид атоми, йони или молекули в състава ва. превишава населението на по-ниска. I. п. е в основата на лазери и др. квантовата устройства ... ... Голям тълковен речник Политехническия населението инверсия (лазерно оборудване) - населението инверсия е nonequilibrium състояние квантова система, в която горната население енергийно ниво надвишава този на долната [90 ГОСТ 15093] Теми лазерно оборудване ... Наръчник техническа преводача населението инверсия (в полупроводници) - населението инверсия състояние на полупроводника, където концентрацията на носители на заряд в възбудени нива над равновесие. [77 ГОСТ 22622] Материали теми полупроводникови ... Наръчник технически преводач Населението инверсия - (от латински inversio инверсия, прегрупиране), не-равновесно състояние на материята, в които за разлика от обичайното състояние на термично равновесие количество от частици, съставляващи материал (атоми, молекули), са с по-висока ... ... Modern Енциклопедия Населението инверсия -, без равновесно състояние в WA, когато ром за съставна З (.. атоми, молекули и т.н.) към неравенството (шир inversio инверсия, прегрупиране.): N2 / G2> N1 / G1, където N2 и N1 на популациите на надмощие. и по-ниска. енергийни нива, g2 и ги g1 ... ... Физическо енциклопедияСъздаване на инверсия на населението
В тази схема, Е1 Вижте какво "на населението инверсия" в други речници: