Rubiinlaser (0)

Rubiinlaser
Peremeeskeskkond: safiir (Al2O3, anisotroopne dielektrik), dopeeritakse Cr2O3 (0,05
kaaluprotsenti).
Lainepikkused: 694,3 nm & 692,9 nm
A21 = 333 s-1, 2 = 3 ms, 21 = 2,5E-20 cm2 = 3,3E11 s-1
Nõrga signaali võimendus 0,2 cm-1
Optiline pumpamine: neeldumisribad 404 & 554 nm, = 50 nm (4A24F2, 4F1)
Rubiinlaser, selle töö ja ehitus
Pööratud jaotuse põhimõte realiseeriti esmakordselt rubiinlaseris (praegu kõige levinumad laserid), sünteetilisest rubiinist kristallvardas, millele on valmistamise ajal lisatud tühine hulk kroomi . Rubiin on alumiiniumoksiidi kristall teatud lisandiga, mis tingib tema suurepärase värvuse. Safiir on sama kristall, ainult teise lisandiga. Neid kristalle osatakse nüüd tehislikult valmistada pikkade varraste kujul, mille kristallivõre on väga hea kvaliteediga. Puhas, lisanditeta alumiiniumoksiidi kristall on värvitu ja läbipaistev. Kui kasvatamise ajal lisada talle veidi titaani, omandab kristall helesinise tooni ning tulemuseks on kalliskivi – safiir. Kroomi lisamisel muutub kristall leekivpunaseks ning saaduseks on rubiin. Kroomisisalduse vähenemisel saadakse roosa rubiin.
Üldlevinud laserimaterjal on sünteetiline rubiinvarras, mis sisaldab 0,05% kroomi (roosa toon). Need ühtlaselt, otsekui metalliauruna kristallis hajunud kroomiaatomid “on süüdi” laserikiirguses. Rubiinivarda optiline kvaliteet peab olema esmaklassiline. Varda mõlemad otsad poleeritakse hästi tasaseks, esimestes laserites kaeti nad veel poolläbipaistva hõbedakihiga, et kutsuda esile kiirte edasi-tagasi pendeldamisest tingitud võimendusefekti. Kahvaturoosakas varras neelab ultravioletset, rohelist ja kollast valgust, laseb aga läbi ainult sinist ja punast. See määrabki tema värvuse.
Indutseeritud ehk sunnitud kiirguse tekkimise tingimuseks on “aktiivse keskkonna” loomine, milles suurem osa aatomeid oleks ergastatud seisundis. Laseris tehakse seda impulsspumpamislambi abil. See on maona ümber rubiinvarda keeratud. Impulsslambis tekkiv plasma kiirgab võimsat valgusvoogu, mis tungib rubiini sügavusse. Kuid kogu selle valguse massist on kasulikud vaid rohelised kiired. Nad ergastavad kroomiaatomeid, paiskavad neid kolmandale nivoole. Sellel nivool ei püsi paljud kroomiaatomid kaua, nad “astuvad” veidi tagasi, minnes üle madalamale teisele nivoole. Kuid seejuures ei toimu valguse kiirgamist. Osa energiat aatom annab ära, kuid mitte footoni kujul. Teine nivoo on kolmandale väga lähedal ja temale laskudes tekkiva väikese energiaülejäägi annab meie aatom ära ümbritsevatele kristalliaatomitele, tõstes nende temperatuuri. Taoline soojendamine on energiakadu , kuid laseri tööks vajalik. Optilise pumpamise eesmärgiks on võimalikult paljude aatomite üleviimine teisele nivoole. Teist nivood õnnestub üle asustada seepärast, et kroomiaatomite üleminekud nende kolme nivoo vahel toimuvad erineva kiirgusega. Osa kolmandale nivoole sattunud aatomeid veereb spontaanselt tagasi esimesele nivoole. Selleks on vaja üks sajatuhandik sekundit. Kuid veel vähem aega on kroomiaatomile vaja kolmandalt nivoolt teisele ülehüppamiseks – viis sajamiljondikku sekundit. Kuid ka teiselt nivoolt võivad ja lähevad aatomid spontaanselt esimesele üle. Kuid aatomimastaapides on selleks vaja üsna palju aega – peaaegu kolm tuhandikku sekundit. Seega on aatomite juurdevool teisele nivoole suurem kui esimesele, põhinivoole tagasipöörduvate aatomite arv. On vaja üpris vähe aega, et teine nivoo osutuks tihedamini asustatuks kui esimene – tingimus, mis on vajalik indutseeritud kiirguse loomiseks. Füüsikud nimetavad teist nivood metastabiilseks. See on vahepealne, ebapüsiv nivoo. Kui teine nivoo on üle asustatud, siis võib tekkida kroomiaatomite koherentne indutseeritud kiirgus. Üleminekul teiselt nivoolt esimesele, väljastab kroomiaatom punase valguse footoni. Lennates mööda teisest, ergastatud aatomist, sunnib taoline footon ka seda “tulistama” välja footoni. Need kaks footonit-kaksikut kutsuvad esile veel kahe venna ilmumise . Kokku saab juba neli footonit. Nii sünnib footonite laviin . Mida pikem on footonite tee, seda rohkem kohatakse ergastatud aatomeid ja seda võimsam tuleb indutseeritud valguse voog – rubiinvarda mõõtmeid on vaja suurendada kuid väga pikk varras muudab pumpamise keeruliseks, seepärast kasutatakse laserites suhteliselt väikseid vardaid – pikkusega 2 kuni 30 cm ja diameetriga 0,5-2 cm. Varda sees suurendatakse aga kiirte teepikkust peeglite abil. Kui footonite laviin läheb piki varda telge, siis peegeldub ta otseselt ja suurendab tagasiteel oma võimsust, liites endaga uute aatomite kiirgust. Laviinid, mis liiguvad varda telje suhtes nurga all, väljuvad sellest ja muutuvad kasututeks. Kuna rubiinkristallis on väga palju kroomiaatomeid, on peeglite vahel kihutava footonitelaviini suurendamiseks materjal olemas isegi juhul, kui teisel nivool pole mitte kõik kroomiaatomid, vaid vähem kui pooled nendest . Valguse võimendamine rubiinvarda sees katkeb, kui teiselt nivoolt on esimesele löödud nii palju aatomeid, et aatomite hulk neil kahel nivool võrdsustub. Sel juhul saab indutseeritud kiirguse võimsus võrdseks võimsusega, mis kulub aatomite paiskamiseks esimeselt nivoolt vahetult teisele tagasi. Seega sõltub rubiinvardas sündinud indutseeritud kiirguse võimsus vardale antud võimsusest (pumpamise võimsusest). Kuid seda ei saa samuti lõpmatuseni suurendada, kuna aatomite üleminekute arvul kolmandalt nivoolt teisele on oma piir, mis ei saa pärast küllastumist suureneda . Kui pumpamise võimsus on väike, siis võib indutseeritud kiirgus hoopiski mitte tekkida. Pumpamise ebaküllaldane võimsus ei suuda kindlustada teise nivoo üleasustamist ega loo tingimusi indutseeritud valguse tekkimiseks. Kristall hakkab küll helenduma, kuid see on tavaline luminestsents . Mitte aga indutseeritud kiirgus. Vaid siis, kui vardas on loodud võimendav keskkond, läheb luminestsents üle indutseeritud kiirguseks. Seejuures muutub mittekoherentne valgus koherentseks. Sel juhul seatakse peeglid üles optilisele pingile kahel pool rubiinvarrast. Nende vahel kihutavadki võimendatavad kiired, mille teele on nurga all paigutatud läbipaistev tasaparalleelne plaadike. See laseb kiired läbi nende suunda muutmata, nihutades neid vaid veidi-veidi kõrvale. Kuid osa kiiri peegeldub plaadikeselt ja eemaldub varda telje suhtes täisnurga all. Laserikiir peab tulistama ühele poole, sinnapoole, kuhu on üles seatud märklaud. Seepärast tuleb üles panna veel üks peegel . See pöörab tagasi plaadikese teisest servast peegeldunud kiired, suurendades veelgi laseri valgusenergiat. Laserist väljuva kiire võimsus sõltub pumpamislambist. Laseri käivitab optiline pumpamine.
 
Transistorid
Transistor koosneb kahest järjestikusest vastupidisest pn-siirdest. Transistor koosneb kahest ühendatud dioodist.
Transistori tööpõhimõte seisneb selles, et ühele siirdele rakendatud oluliselt nõrgema signaalipingega saab reguleerida ning tüürida teise siirde takistust ja seeläbi ka väljundpinget. Transistor on aktiivseade – tema abil saab võimendada elektrisignaale, teha ümberlülitamisi, genereerida elektrivõnkumisi jpm.
Transistore saab paigutada kahe tasakaaluseisundiga lülitusse. Üks transistor juhib ja teine ei juhi ning sisendsignaal võib nende olekut vahetada. Selliste lülitustega modelleeritakse binaarkood (0 ja 1). Dioodide ja transistorite sagedamini kasutatav materjal oli varem germaanium, kaasajal räni. Viimasel ajal leiab enam kasutamist ka galliumarseniid.

12. Bipolaarse transi ehitus ja tööpõhimõte.

pnp- või npn-transi ehitus, vooluallikate ühendamine ja polaarsused, transi sisend - ja väljundvool ühise emitteriga lülituses. Seos emitteri-, baasi- ja kollektorivoolu vahel. Volude suunad ja laengute liikumine transis. Kollektorivoolu tüürimine baasivooluga, emitterivoolu ülekandetegur ja baasivoolu võimendustegur. Bipolaarse transi sisend - ja väljundtunnusjooned.
Bipolaarne transistor tähendab seda, et temas on kasutusel kaht liiki laengukandjad (elektronid ja augud). Transistori ehitus:
Bipolaarsete transistoride võimendus tuleneb siirete omavahelisest mõjust, mis ilmneb põhiliselt kuna baas on väga kitsas .
Bipolaarsete transistoride pingestamisel pingestatakse mõlemad siirded eraldi. (Edaspidi räägime pnp transistorist. NPN transistoril pingete ja voolude polaarsused täpselt vastupidised.)
Nagu jooniselt näha, pingestatakse emittersiire alati päripidi, mistõttu hakkavad enamuslaengukandjad (siin augud) liikuma emitterist baasi. Kuna baasis osutuvad nad vähemuslaengukandjateks, siis on nende konsentratsioon emittersiirde läheduses palju suurem, kui kollektorsiirde lähenduses, seega difusiooni tõttu hakkavad nad üle baasi laiali liikuma. Vastupingestatud kollektorsiire aga on laienenud baasi ning selle elektrivälja sattunud augud (teatavasti läbivad vähemuslaengukandjad siirde elektrivälja takistamatult) liiguvad edasi kollektorisse.
Seetõttu on endiselt kollektorsiirde läheduses auke vähem, kui emittersiirde läheduses ning difusioon jätkub. Enamik auke liigub edasi kollektorisse ning ainult vähesed rekombineeruvad baasi elektronidega. Rekombineerunud elektronide ja nende, mis liikusid baasist emitterisse, asemele tuleb aga välisahelast juurde uusi elektrone. Nende elektronide liikumine välisahelast baasi moodustabki baasivoolu. Aukude vool baasist kollektorisse moodustab kollektrori voolu. Aukude vool emitterist baasi ja elektronide vool baasist emitterisse moodustab emittervoolu.
Lisa: Skeemidesse ühendatakse npn-transistor enamasti nii, et emitter on negatiivne ja kollektor positiivne baasi suhtes.
Vastavalt pnp ühendatakse enamasti nii, et emitter on positiivse ja kollektor negatiivse potentsiaaliga baasi suhtes.