Physique 9 : Lasers et systèmes optoélectroniques Omar Bentouila

Physique 9 : Lasers et systèmes optoélectroniques (2C + 1TD) Transitions électroniques : émission spontanée, absorption, émission stimulée Principe de laser Résonateurs optiques Oscillateurs lasers Différents types de lasers Modulation optique Filtres optiques Détecteurs optiques Application des lasers et des dispositifs optoélectroniques.

L. A. S. E. R

? ? ?

Chapitre 1 المحور الأول Transitions électroniques :  Émission spontanée  Absorption  Émission stimulée الانتقالات الإلكترونية: الاصدار العفوي الامتصاص الاصدار المحثوث (القسري)

الاهتزازت الذرية والجزيئية الموافقة لمستويات الطاقة المثارة في الميكانيك الكمّي الطاقة المستوى الأساسي المستوى المُثار  E = h الذرة تكون على الأقل في حالة مثارة الذرة تهتز بالتواتر مستويات الطاقة هي ”كلّ شيء“ في الميكانيك الكمّي

الذرات المثارة تُصدرفوتونات بشكل عفوي. عندما تنتقل الذرة من الحالة المثارة إلى مستوى طاقة أقل، فإنها تُصدر فوتونا ضوئيا. تبقى الجزيئات عادة مُثارة لمدة لا تزيد عن بضع نانوثانية. وغالبا ما تسمى هذه أيضا الفلورية (التألق، الاستشعاع ) fluorescence أو عندما يستغرق وقتا أطول، تفسفر. phosphorescence. المستوى المُثار المستوى الأساسي الطاقة

الذرات والجزيئات يُمكنها أيضا امتصاص فوتونات، مما يُحدثُ انتقالا من مستوى أدنى إلى مستوى أكثر إثارة الامتصاص المستوى المُثار المستوى الأساسي الطاقة

في سنة 1916، آينشتاين بيّن أنّ هناك عملية أخرى ممكنة الحدوث: الإصدار المحثوث قبل بعد الامتصاص الاصدار المحثوث الاصدار العفوي EINSTEIN 1917

مُعامل بولتزمان: توزيع الذرات على المستويات الطاقوية N i كثافة التعداد في المستوى الطاقوي (أي عدد الذرات )cm 3 لكل T درجة الحرارة k B ثابت بولتزمان. كثافة التعداد N1N1 N3N3 N2N2 E3E3 E1E1 E2E2 الطاقة

معامل بولتزمان للتعداد عند الاتزان، النسبة بين تعداد المستويين هي: N 2 / N 1 = exp (–  E/k B T ), حيث:  E = E 2 – E 1 = h كنتيجة لهذا، فإن مستويات الطاقة الأعلى تكون أقل امتلاء من المستوى الأساسي، والامتصاص يكون أقوى من الاصدار المحثوث منخفضةT مرتفعةT الطاقة ذرات أو جزيئات

معاملات آينشتاين A و B في 1916، أخذ بعين الاعتبار مختلف الانتقالات بين مستويين طاقويين (1 و2): نسبة الاصدار العفوي = A N 2 نسبة الامتصاص= B 12 N 1 ρ(ν) نسبة الاصدار المحثوث = B 21 N 2 ρ(ν) عند الاتزان، فإن نسبة الانتقالات إلى المستويات الأعلى تساوي نسبة الانتقالات إلى المستويات الأدنى توزيع ماكسويل ـ بولتزمان Maxwell-Boltzmann Distribution (B 12 ρ(ν) ) / (A + B 21 ρ(ν) ) = N 2 / N 1 B 12 N 1 ρ(ν) = A N 2 + B 21 N 2 ρ(ν) : نجد N 2 /N 1 بالحل من أجل كثافة الإشعاع = exp[–  E/k B T ]

معاملات آينشتاين وإشعاع الجسم الأسود لنقم الآن بالحل من أجل كثافة الاشعاع ρ(ν) : ( B 12 ρ(ν) ) / ( A + B 21 ρ(ν) ) = exp[-  E/k B T ] نجد:A + B 21 ρ(ν) بالضرب في B 12 ρ(ν) exp[  E/k B T] = A + B 21 ρ(ν) ρ(ν) = A / {B 12 exp[  E/k B T] – B 21 } ومنه : ρ(ν) = [A/B 21 ] / { [B 12 /B 21 ] exp[  E/k B T] – 1 } ونجد: عندما T  فإن يجب أن تؤول ρ(ν) إلى  أيضا. ولدينا، عندما T  exp[  E/k B T ]  1 ، ومنه إذن نجد: B 12 = B 21  B  Coeff up = coeff down! ونجد أيضا: ρ(ν) = [A/B] / {exp[  E/k B T ] – 1} سؤال سؤال: بمقارنة العلاقة السابقة لكثافة الاشعاع، مع تلك الموجودة تجريبيا والمعطاة بالعلاقة: A/B أوجد  E = h وبالأخذ بعين الاعتبار أن

طيف إشعاع الجسم الأسود Blue hot is hotter than red hot.

قانون Wien

درجة حرارة اللون

الاصدار المحثوث يمكن أن يؤدي إلى حدوث إصدار ليزر الوسط المُثار إذا كان الوسط يحتوي على العديد من الذرات أو الجزيئات المُثارة، فإن الفوتون الواحد يمكن أن يتضاعف

الحصة القادمة

الليزر R = 100% R < 100% I0I0 I1I1 I2I2 I3I3 G الوسط الليزري