Laser
Nutné znalosti
energie fotonu
pásmová model
generování fotonů u LED
Nejprve zopakujeme, co je to koherentní světlo. To jsou fotony, které mají
stejnou vlnovou délku , tedy stejný kmitočet
stejný fázový posuv
stejnou rovinu polarizace
Vidíme, že zde při úvahách přecházíme mezi pojetím světla jako proudu částic a světla jako elektromagnetickou vlnou. Není to chyba, prostě používáme to, co se nám lépe hodí.
Co může udělat elektron a foton.
emise fotonu
elektron je ve vodivostním pásu (tedy: má energii, odpovídající vodivostnímu pásu), energii ztratí (spadne dolů). Ztracenou energií se ohřeje krystal (nezajímavé) nebo se emituje foton. Energie fotonu je stejná jako ta energie, kterou elektron ztratil. Tomu odpovídá vlnová délka fotonu. Tohle jsme viděli u LED.
absorpce fotonu
Foton mizí a předává svou energii elektronu. Elektron samozřejmě vystoupí z valenčního pásu do vodivostního, ale my si stále opakujeme: elektron zvětšil svoji energii. Tady je důležitá jedna věc: mezi valenčním a vodivostním pásem je zakázaný pás. To znamená, že elektron musí získat energii dost velkou. A tu mu dodává foton. Pokud bude mít foton energii například polovinu zakázaného pásu, tak nebude absorbován, protože by elektron „vymrštil“ jenom do poloviny zakázaného pásu. Ale to nejde – tuhle energii mít elektron nemůže. Pokud tedy má foton energii malou, nemůže být absorbován. Energie fotonu záleží na jeho kmitočtu: Takže: pokud má foton příliš malý kmitočet, nemůže být absorbován. Tento jev se nazývá „červená mez“ nebo „dlouhovlnná mez“ . Příliš malý kmitočet znamená příliš velká délka vlny. Pokud to nechápete (převod kmitočet – délka vlny), odejděte na gymnasium.
V běžné LED fungují oba tyto jevy najednou. To znamená, že foton je emitován, za chvíli je absorbován, pak je zase nějaký jiný emitován ...... Emise fotonů převažuje nad absorpcí, takže LED svítí. Ale nezapomeňme, že oba jevy se v LED dějí, a ta absorpce není zanedbatelná.
stimulovaná emise fotonu
V materiálu jsme vytvořili v zakázaném pásu energií takzvanou metastabilní hladinu. Na této hladině mohou elektrony být (to znamená: mohou mít tuto energii) , ale moc tam nedrží, velmi snadno energii ztratí, „spadnou“ do valenčního pásu a emitují foton. Proces, kterým se elektrony dostanou na metastabilní hladinu, se nazývá „čerpání“. U laserové diody čerpáme tím, že diodou teče proud.
Pokud se do materiálu dostane foton (na obrázku přilétá zleva) , jeho průlet kolem elektronu (velké černé tečky na metastabilní hladině) způsobí, že elektron ztratí energii (na metastabilní hladině stejně držel jenom silou vůle) , a tím generuje další foton. Tohle se samozřejmě může opakovat mnohokrát. Původní foton se nijak nemění ! Vygenerované fotony a původní foton jsou koherentní To je důležité a zcela zásadní .
Dále se pokusíme si ujasnit, co vlastně znamená „foton proletí kolem atomu“ . Najdeme si velikost atomu a vzdálenost mezi nimi (to, co hledáte, se jmenuje mřížková konstanta , atomový poloměr, vzdálenost atomů). Napište si to číslo na papír, vedle toho si napište vlnovou délku světla (našeho, pro optické komunikace) , a dívejte se na to tak dlouho, až vám dojde, že „foton proletí kolem atomu“ je úplný blábol. Ale běžně se to tak říká, a je to odvozeno právě z pásmových diagramů. Podobně jsem našel na Internetu "Narazí-li foton do elektronu takového atomu ..." , je doufám jasné, že i tohle je blábol. Prostě naše obrázky nám nějak pomáhají dopočítat se k použitelným výsledkům, ale tyto představy na úrovni atomů jsou výrazně jinak.
A teď už konečně laser. U laseru je zásadní věc inversní obsazení hladin. To znamená, že elektrony nejsou ve valenčním pásu a jsou ve vodivostním (čti: elektrony nemají energii .... a mají energii .....). Protože energie ve valenčním pásu jsou menší, je normální stav takový, že většina elektronů je ve valenčním pásu a jen některé jsou ve vodivostním. V laseru toto převrátíme, proto „inversní obsazení“. Dosáhneme toho čerpáním, tedy průchodem proudu přes diodu. Samozřejmě, inversní obsazení hladin není absolutní, takže i ve valenčním pásu elektrony jsou .
Situaci vidíme na obrázku. Ve vodivostním pásu jsou elektrony na nižších hladinách energií, to je normální a obvyklé. Ve valenčním pásu jsou elektrony na nižších hladinách energií, a nejsou na vyšších hladinách. Mezi valenčním a vodivostním pásem je zakázaný pás. To jsou hodnoty energií, kterých elektron nemůže dosáhnout (opakujeme již poněkolikáté). Do této situace přiletí foton. Jeho energii máte nakreslenou napravo , červeně. Tuto úsečku si vystřihněte, budeme s ní posouvat. Zkusíme, zda tento foton může být emitován. To znamená: červenou úsečku dáme horním koncem na metastabilní hladinu. Dolní konec úsečky zasahuje do valenčního pásu, tam, kde nejsou elektrony. Nic tedy elektronu nebrání, aby spadnul dolů (správně: aby ztratil energii) a emitoval foton. Zkusíme, zda foton může být absorbován. To znamená, že foton mizí a elektron navýší svoji energii. Vezmeme tedy červenou úsečku a dáme ji dolním koncem do valenčního pásu, tam, kde jsou elektrony. A vidíme, že horní konec úsečky je v zakázaném pásu. To znamená, že foton nemůže být absorbován. K absorpci by potřeboval, aby měl větší energii (až do vodivostního pásu) , ale on ji nemá.
|
