TTS Moduł 10

Plik:TTS M10 Slajd1.PNG

---

Plik:TTS M10 Slajd2.PNG

---

---

Plik:TTS M10 Slajd3.PNG

Aby możliwe było zrozumienie zasady działania półprzewodnikowych źródeł światła potrzebna jest pewna wiedza o zjawiskach fizycznych zachodzących wewnątrz tych przyrządów. Zacznijmy więc od omówienia tych zjawisk. Pierwsze zagadnienie stanowią mechanizmy oddziaływania fotonów z atomami ośrodka. Rozważmy więc ośrodek w którym atomy mogą przyjmować tylko dwie, dyskretne wartości energii. Takie wartości energii nazywamy stanami lub poziomami energetycznymi. Gdy ośrodek posiadający dwa stany energetyczne o energiach $E_1$ i $E_2$ takich, że $E_1<E_2$ oświetlimy fotonem o energii $hf=E_2-E_1$, wtedy foton ten może zostać pochłonięty przez atom o niższej energii $E_1$. Energia pochłoniętego fotonu przekazywana jest atomowi – przyjmuje on wtedy energię $E_2$ (nazywamy to przejściem na wyższy poziom energetyczny). Zjawisko to schematycznie pokazane na rys.a) nosi nazwę absorbcji promieniowania. W przyrodzie każdy układ dąży do uzyskania minimum energii. Pobudzony atom (na wyższym poziomie energetycznym) dąży więc do powrotu na niższy poziom energetyczny. Po pewnym czasie (średni czas przebywania atomu na wyższym poziomie energetycznym nazywamy czasem życia poziomu) atom wróci na podstawowy poziom energetyczny $E_1$. Aby jednak powrócić na ten poziom musi on pozbyć się różnicy energii $\mathrm{\Delta }E=E_2-E_1$. Tę różnicę może przekazać w postaci mało nas interesującej np. oddając ją ośrodkowi w postaci energii kinetycznej, ale może też oddać ją wypromieniowując foton. Wypromieniowany foton unosi różnicę energii między poziomami, a więc energia fotonu $hf=\mathrm{\Delta }E=E_2-E_1$. Zjawisko to nosi nazwę emisji spontanicznej i jest podstawą działania diod LED. Co jednak się stanie, gdy pobudzony atom (na wyższym poziomie energetycznym) oświetlimy fotonami o energii $hf=\mathrm{\Delta }E?$ W takim przypadku absorbcja promieniowania nie jest możliwa (atom posiada już energię $E_2$). Fotony, którymi oświetlamy ośrodek mogą jednak wywoływać przejście atomu na niższy poziom energetyczny dużo wcześniej niż by to się stało poprzez emisję spontaniczną. Podczas przejścia atomu na niższy poziom energetyczny wywołanego przez przelatujący foton energia uwalniana jest w postaci dodatkowego fotonu. Proces ten nosi nazwę emisji wymuszonej i jest podstawą działania laserów. Emitowany w trakcie tego procesu foton posiada specyficzne właściwości. Otóż jest on identyczny jak foton, który wywołał to zjawisko. Posiada więc dokładnie taką samą energię, porusza się w tym samym kierunku, a traktowany jak fala elektromagnetyczna posiada tę samą długość fali i fazę. O takim promieniowaniu mówimy, że jest koherentne. Po zajściu zjawiska emisji wymuszonej dostajemy dwa fotony zamiast jednego – oświetlającego. Mamy więc tu do czynienia z rodzajem wzmocnienia światła.

---

Plik:TTS M10 Slajd4.PNG

Do tej pory zajmowaliśmy się jednym atomem w ośrodku. Jednak w typowym układzie jest ich wiele. W ośrodku o dwóch poziomach energetycznych, w stanie równowagi termicznej część atomów ośrodka $N_1$ przyjmuje energię $E_1$, a część $N_2$ energię $E_2$. Stosunek $N_2$ do $N_1$ określa zależność nazywana rozkładem Boltzman’a. Z rozkładu tego wynika, że na wyższym poziomie energetycznym w stanie równowagi znajduje się mniej atomów niż na poziomie o niższej energii. Ponadto im większa jest różnica energii pomiędzy poziomami tym mniej atomów znajduje się na wyższym poziomie energetycznym. Gdy oświetlimy ośrodek znajdujący się w stanie równowagi termicznej fotonami o energii $hf=\mathrm{\Delta }E$ wtedy fotony częściej spotykać będą atomy o niższej energii niż atomy pobudzone. Częściej więc zachodzić będzie zjawisko absorpcji niż zjawisko emisji wymuszonej. Taki ośrodek pochłania promieniowanie. Gdy jednak zaburzymy równowagę i w jakiś sposób sprawimy, że atomów, które mogą oddać energię (a więc znajdują się na wyższym poziomie energetycznym) będzie więcej niż tych na poziomie podstawowym, wtedy doprowadzimy do stanu nazywanego inwersją obsadzeń. Gdy w ośrodku występuje inwersja obsadzeń wtedy przelatujące przez ten ośrodek fotony częściej napotykają atomy pobudzone niż atomy w stanie podstawowym, częściej więc zachodzi emisja wymuszona niż absorpcja promieniowania. Taki ośrodek wzmacnia promieniowanie optyczne.

---