Источники оптического излучения. В основе функционирования источников излучения лежит явление люминисценции

Лекция 5.

В основе функционирования источников излучения лежит явление люминисценции. Люминисценция – это явление, при котором вещество, либо за счет поглощения энергии света, либо ионизирующего или другого излучения, либо под действием химических реакций, либо за счет действия электрического поля переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное состояние, излучает полученную энергию в виде света. Известны несколько видов люминисценции в зависимости от способа возбуждения вещества:

а) фотолюминисценция – свечение вещества при облучении его светом другой волны. Например, облучение УФ излучением неодимвого стекла вызывает его излучение в видимом и ИК диапазоне;

б) катодная люминисценция – свечение вещества при облучении его пучком электронов. Например, свечение катодных или телевизионных трубок при облучении их пучком электронов;

в) электролюминисценция – свечение вещества под действием электрического поля.

В случаях а) и б) происходит преобразование кинетической энергии электронов и электрической энергии в электромагнитную, а в случае а) энеромагнитные излучения с одной длины волны преобразуются в такое же излучение с другой длиной волны.

Электролюминисценция подразделяется на два вида:

1) предпробойная электролюминисценция, вызываемая ударной ионизацией атомов или молекул вещества под действием электрического поля;

2) инжекционная электролюминисценция, которая имеет место в полупроводниках при инжекции носителей зарядов через р-n переход.

Схема явления люминисценции показана на рис.5.1.

Источники возбуждения

Свет.   Пучок электронов.   Ионизирующее излучение.   Электрическое поле

Возбуждение Е1 Е2

свет Излучение

Рис.5.1. Схема возбуждения и люминисценции вещества.

Е₁ и Е₂ – уровни энергии. Е₂ - Е₁= , - постоянная Планка; , где - длина волны излучения.

Электроны под действием энергии возбуждения переходят из состояния Е₁ в состояние с энергией Е₂ – возбужденное. По законам термодинамики любая система стремится перейти в низшее состояние, вследствие чего электроны снова переходят на уровень Е₂ с излучением энергии.

Спонтанное и вынужденное излучение

В процессе люминисценции излучение света может происходить двумя способами: в первом их них электрон, находящийся в возбужденном состоянии на уровне Е₂ самопроизвольно переходит на уровень Е₁, излучая при этом свет с частотой или длиной волны . Такое излучение называется спонтанным или самопроизвольным. Спонтанное излучение характерно для всех источников света кроме лазеров, таких как лампа накаливания, светодиоды, различные нагретые тала.

Кроме спонтанного излучения при определенных условиях в веществе может существовать и вынужденное (или индуцированное излучение), которое происходит по следующей схеме. Электрон находится в атоме на уровне Е₂ некоторое конечное время и в это время атом подвергается воздействию излучения с длиной волны , соответствующей разности уровней Е₂ - Е₁. В этом случае атом испускает свет с длиной волны и фазой, соответствующими параметрам воздействующего излучения (фотона). Т.е. вещество излучает фотон эквивалентный воздействующему.

Если каким либо образом собрать N таких атомов, в которых электроны находятся на возбужденных уровнях Е₂. то падающий свет может вызвать вынужденное излучение с той же фазой и длиной волны от N атомов, т.е. интенсивность света будет в N раз больше. Это явление есть усиление света. Существует целый ряд веществ, в которых можно реализовать условия для усиления света.

Если же такое вещество поместить в резонатор, т.е. создать положительную обратную связь для определенного типа колебаний спектра излучения, то мы получим новое устройство лазер, т.е. генератор света. В настоящее время создано большое число различных лазеров, о которых речь пойдет ниже. Для волоконно-оптической техники наибольший интерес представляют полупроводниковые лазеры.

Дата добавления: 2014-01-20