Referatas

Elektronika

Referatą parengė:Karolis KlimasMartynas JokubonisDonatas MontrimasAurelijus Vaitkus

TurinysĮvadas..................................................................................................................................3Elektros srovė dujose..........................................................................................................4Puslaidininkiai.....................................................................................................................5Puslaidininkiniai prietaisai..................................................................................................7Puslaidininkiai Lietuvoje....................................................................................................9Vakuuminė elektronika.....................................................................................................11Kvantinė elektrodinamika.................................................................................................15Fizikinė QED prasmė........................................................................................................16QCD medžiaga..................................................................................................................17Lazeriai..............................................................................................................................19Šaltiniai..............................................................................................................................21

2

ĮVADAS

Elektronika – mokslo ir technikos šaka, tirianti ir pritaikanti praktikoje elektros krūvininkų (elektronų, skylių ir jonų) judėjimo reiškinius, vykstančiusvakuume, dujose, ir kietuosiuose kūnuose. Šie reiškiniai taikomi įvairiuose elektroniniuose prietaisuose, ypač puslaidininkiuose ir elektroninėse lempose. Elektronika nagrinėja elektroninių prietaisų veikimo teoriją, jų savybes, konstrukciją, technologiją bei šių prietaisų taikymą mokslo ir technikos srityse.Elektronika skiriasi nuo elektros ir elektromechanikos mokslo ir technologijų, kuriame kalbama apie gamybos, paskirstymo, perjungimo, saugojimo, ir konversijos elektros energijos ir nuo kitų energijos formų, naudodama laidus, variklius, generatorius, baterijas, jungiklius, transformatorius, rezistorius, ir kitus pasyvius komponentus. Šis skirtumas prasidėjo apie 1906 nuo triodo išradimo (Lee De Forest), kuris sustiprino silpnus radijo bangų signalus ir pavertė garsiniu signalu. Iki 1950 ši sritis buvo vadinama "radijo technologija", nes jos pagrindinė idėja buvo suprojektuoti ir pagaminti radijo siųstuvą, imtuvą ir vakuuminį vamzdį.

Skirstymas

Priklausomai nuo to kur vyksta krūvininkų judėjimas, elektronika skirstoma į vakuuminę, puslaidininkinę, kvantinę ir laidininkine.Vakuminė elektronika nagrinėja ir kuria vakuuminius bei dujinius prietaisus (elektronines lempas), taip pat vakuuminius elektroninius prietaisus (elektroninius mikroskopus, elektringųjų dalelių akceleratorius ir kt.).Puslaidininkinė elektronika nagrinėja ir kuria puslaidininkinius diodus, tranzistorius, integrinius grandynus, tiristorius ir pan.Kvantinė elektronika tiria medžiagos kvantinių savybių panaudojimą. Svarbiausi šios elektronikos įrenginiai – mazeriai ir lazeriai.

3

Elektros srovė dujose

Dujos sudarytos iš elektriškai neutralių molekulių, ir normaliomis sąlygomis jos yra dielektrikai. Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito, kad liautųsi tekėjusi srovė. Sudarius grandinėje kelių centimetrų oro tarpą, elektros srovė netekės (1 pav.).

Kaitinant arba apšviečiant dujas, dalis atomų jonizuojasi – suskyla į teigiamuosius jonus ir elektronus. Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių – krūvininkų (2 pav.).

Aukštoje temperatūroje dujų molekulės įgyja tokią didelę energiją, kad susidurdamos išmuša elektronus – jonizuoja viena kitą. Netekusios elektronų molekulės tampa teigiamais jonais. Atsilikę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus (3 pav., a).

Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji jonai ir elektronai. Srovę dujose priimta vadinti išlydžiu. Pasiekę elektrodus, dujų jonai netenka savo krūvio – virsta neutraliomis molekulėmis. Elektronas ir teigiamas jonas susidūrę gali vėl susijungti ir sudaryti neutralų atomą arba molekulę (3 pav., b). Šis procesas vadinamas elektringujų dalelių rekombinacija. Nustojus veikti jonizatoriui, dujos greitai rekombinuojasi ir srovė nutrūksta. Toks išlydis, kuris vyksta tik veikiant pašaliniam jonizatoriui, vadinamas nesavaiminiu. Didinant įtampą, krūvininkų greitis didėja, vis daugiau jų pasiekia elektrodus ir srovės stipris didėja proporcingai įtampai. Taigi iki įtampos UA srovė dujose paklūsta Omo dėsniui. Kai įtampa pasiekusi vertę UA, ir toliau didėja, srovės stipris lieka pastovus! Tai įvyksta todėl, kad jau visi jonizatoriaus

4

sukurti krūvininkai pasiekia elektrodus ir paprasčiausiai nėra iš ko srovei didėti. Srovė, kurios stiprumas nepriklauso nuo įtampos, vadinama soties srove (4 pav., grafiko dalis AB, srovė IS).

Vadinasi, šalia jonų, susidariusių veikiant jonizatoriui, dujose atsiranda papildomi jonai. Srovės stipris gali padidėti šimtus ir tūkstančius kartų, o išlydžio metu susidaryti tiek daug jonų, kad išorinis jonizatorius jau nebereikalingas išlydžiui palaikyti. Jeigu išjungsime išorinį jonizatorių, išlydis nenutrūks. Tokiam išlydžiui palaikyti nereikia išorinio jonizatoriaus. Išlydis dujose, vykstantis be jonizatoriaus, vadinamas savaiminiu. Atsižvelgiant į dujų savybes ir būseną, elektrodų pobūdį ir išsidėstymą bei įtampą tarp jų, skiriami įvairūs savaiminiai dujiniai išlydžiai.

PuslaidininkiaiPuslaidininkiai – medžiagos, kurių elektrinis laidumas yra tarp metalų ir dielektrikų. Esant ypač žemai temperatūrai (0 K), visos puslaidininkio medžiagos jungtys užpildytos ir laisvųjų krūvininkų nėra. Šildant ar apšviečiant puslaidininkį elektromagnetine spinduliuote, jame atsiranda laisvųjų elektronų ir skylių (vietų, iš kurių yra išlėkę elektronai, ir kurių krūvis yra teigiamas). Energija, dėl kurios puslaidininkyje atsiranda laisvųjų krūvininkų, vadinama aktyvacijos energija.

Gryną puslaidininkį įjungus į elektros srovės grandinę, laisvieji elektronai juda prieš lauko kryptį, o skylės – lauko kryptimi. Toks laidumas vadinamas savituoju. Kuo didesnė temperatūra, tuo didesnis puslaidininkio laidumas ir mažesnė varža.

Puslaidininkių krūvininkų koncentracija keičiama į juos dedant priemaišų, kurių atomai ir jonai išsidėsto gardelės mazguose ir yra papildomi elektronų šaltiniai. Elektroninis priemaišinis laidumas vadinamas ntipo laidumu (jei įterpiamos donorinės medžiagos) arba p tipo laidumu (jei įterpiamos akceptorinės medžiagos).

5

PUSLAIDININKIŲ SAVYBĖS

Svarbiausia puslaidininkių medžiagų savybė yra ta, kad jų elektrinis laidumas labai priklauso nuo temperatūros ir priemaišų. Būdinga tai, kad jų laidumas labai kinta priklausomai ir nuo menkiausio priemaišųkiekio ir nuo išorinių sąlygų: šviesos , temperatūros slėgio ir kt.

Puslaidininkių specifinė varža , o tuo pačiu ir specifinis laidumas labai priklauso nuo išorinių sąlygų: temperatūros, apšviestumo, elektrinio ir magnetinio laukų.Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būti dvejopas:1.elektroninis2.skylutinisPavyzdžiui, germanio ar silicio kristaluose 0° C temperatūroje valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta- visiškai tuščia. Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra yra aukštesnė negu 0° C , dėl atomų šiluminio judėjimo , kai kurie valentiniai elektronai, gavę energijos kiekį, lygų draudžiamosios juostos pločiui, gali peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą , palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą vadinamą skylute. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygio į kitą prieš elektrinio lauko jėgų kryptį ir sudarys elektroninį laidumą arba n laidumą.

PUSLAIDININKIŲ PRIEMAIŠINIS ELEKTRINIS LAIDUMAS

Visiškai grynų , be priemaišų bei defektų, puslaidininkių gamtoje nėra. O ir dirbtiniu būdu jų nepavyksta pagaminti. Kai kurios nedidelės koncentracijos priemaišos padidina puslaidininkių elektrinį laidumą.Daugumai elektronikos prietaisų reikalingi puslaidininkiai , kuriuose vyrauja vienokios rūšies n arba p laidumas. Tokie puslaidininkiai gaunami įterpus į gryną kristalą labai mažą ( apie 10-5 %) kiekį kitų elementų priemaišų. Tada šalia savojo laidumo atsiranda tūkstančius kartų didesnis papildomas priemaišinis laidumas. Kaip atsiranda priemaišinis laidumas? Priemaišomis vadiname kitų cheminių elementų atomus. Elektroniniuose priemaišiniuose puslaidininkiuose, priemaišos atomams sudarius ryšį su puslaidininkio atomais, lieka nesurištų elektronų. Germanio atomas turi 4 valentinius elektronus. Pavyzdžiui, jeigu vieną atomą pakeisime penkia valenčio fosforo atomu, tai priemaišos atomo 4 valentiniai elektronai bus surišti gretimais germanio atomais, o penktasis elektronas valentiniame ryšyje nedalyvaus , jis bus silpniau surištas su branduoliu ir galės lengviau pereiti į laidumo

juostą. Šis priemaišos atomų penktųjų elektronų energijos lygis yra draudžiamoje juostoje arčiau laidumo juostos apatinės dalies ir vadinamas donoriniu lygiu, o tokie priemaišos atomai vadinami atomais- donorais. Donorinių lygių elektronų draudžiamoji juosta yra mažesnė už grynųjų puslaidininkių draudžiamąją juostą.

PUSLAIDININKIŲ PRIKLAUSOMYBĖ NUO TEMPERATŪROS

Labai svarbi puslaidininkių savybė, kad jų elektrinė varža, kylant temperatūrai staigiai mažėja , o staigiai didėja savasis laidumas.

6

Mes jau žinom , kad grynasis puslaidininkis 0° C temperatūroje – izoliatorius. Kadangi puslaidininkio draudžiamoji juosta yra siaura, tai temperatūrai didėjant , kai kurie valentiniai elektronai įgauna pakankamai energijos peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau valentinių elektronų peršoka įlaidumo juostą ir puslaidininkio savasis laidumas didėja. Metalų elektrinis laidumas pakėlus temperatūra 1° C , 0-100% ribose mažėja apytikriai 0,3-0,4%, o puslaidininkių elektrinis laidumas pakėlus temperatūrą 1° C, tose pačiose ribose padidėja 3-6 %.Metalų elektrinis laidumas , kylant temperatūrai, mažėja pagal tiesinį dėsnį, o puslaidininkių laidumas- didėja pagal eksponentinį dėsnį.Puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros panaudota šiluminėse varžose arba termistoriuose, kurie taikomi temperatūrai matuoti.

Puslaidininkiniai prietaisai

Puslaidininkis diodas – puslaidininkis prietaisas, turintis vieną elektroninę skylinę sandūrą, kuriame panaudotos pn sandūros savybės. Diodas paprastai turi du kontaktus, nebent viename korpuse jų būtų pagaminta keletas. Dažniausiai pritaikoma jų savybė praleisti elektros srovę tik viena kryptimi (atbulinis laidumas labai mažas), tačiau esama ir įvairesnių naudojimo būdų.

SandaraPriklausomai nuo sandūros sudarymo būdo yra dviejių tipų diodai: plokštiniai ir taškiniai.

Plokštiniai diodai gaminami pagal lydytinę arba difuzinę technologiją. Difuzinių ir lydytinių lygintuvinių diodų konstrukcijos yra analogiškos. Difuzinių diodų sandūra aukštoje temperatūroje difunduojant priemaišoms į silicį ar germanį.

7

Taškiniuose dioduose pn sandūra yra sudaroma elektriniu būdu įlydant metalinį smaigalį į n puslaidininkį. Leidžiant trumpą srovės impulsą tiesiogine kryptimi, esantis prie smaigalio plonas puslaidininkio sluoksnis įgyja skylinį laidumą. Taškiniuose dioduode pn sandūros plotas yra labai mažas (10-3 … 10-4 mm²), todėl ir jos talpa labai maža. Taškiniai diodai dėl mažos talpos naudojami esant aukštiemsdažniams.

Šviesos diodasŠviesos diodas (angl. LED; Light - emitting diode) – diodas, kurio sandara pritaikyta šviesai skleisti. Srovei tekant tiesiogine kryptimi, šio diodo pn sandūra šviečia beveik vieno bangos ilgio (monochromatine) šviesa. Šiuo metu pagaminama diodų įvairiems bangų ilgiams (nuo infraraudonosios iki ultravioletinės šviesos).

Patalpinus keletą tokių diodų viename korpuse, gaunama ir ne monochromatinė šviesa. Atskirai reguliuojant viename korpuse esančiais diodais tekančią srovę, galima sklandžiai keisti šviesos spalvą. Paprasto diodo kristalas irgi šiek tiek šviečia akiai nematoma infraraudonąja šviesa. Balti šviesos diodai dažniausiai gaminami naudojant mėlynus šviesos diodus ir pridedant liuminoforo, kuris sužadinamas mėlyna šviesa ir generuoja likusias spalvas kurios susimaišiusios duoda baltą šviesą. Šis procesas vadinamas fluorescencija.

Skirtingai nuo paprastos lemputės, kuriai įkaisti reikia laiko, šviesos diodas gali įsižiebti ir užgesti daugelį tūkstančių kartų per sekundę, todėl šviesos diodo ir fotodiodo pora tinka duomenims bei komandoms (pavyzdžiui, iš mobilaus telefono į kompiuterį, iš televizoriaus nuotolinio valdymo pulto į televizorių) perduoti. Daugelis šviesos diodų neblogai dirba ir kaip fotodiodai, todėl kai kuriose abiem kryptim informaciją perduodančiose sistemose signalą siunčia ir priima tas pats elementas. Panaudojus šviesą fokusuojančius lęšius, skaidriu oru toks ryšys gali veikti net kelių kilometrų atstumu. Kitais atvejais šviesos diodas ir fotodiodas iškart pagaminami viename korpuse, sukuriant naujo tipo prietaisą – optroną.

Daugelį šviesos diodų galima sujungti į ekraną. Jei naudojami visų trijų pagrindinių (raudona, žalia, mėlyna) spalvų diodai, toks ekranas gali rodyti ir spalvotą vaizdą. Kitais atvejais šviesos diodų paketas gali būti naudojamas kaip daug ekonomiškesnis, patvaresnis ir ilgaamžiškesnis įprastinės kaitinamosios elektros lemputės pakaitalas.

8

Tranzistoriai

Tranzistoriai – puslaidininkiniai prietaisai, turintys dvi sandūras, naudojami elektriniams virpesiams generuoti bei stiprinti, taip pat elektrinėms grandinėms valdyti. Tranzistorių 1946m. išrado JAV fizikas Džonas Bardinas, Volteris Bratenas ir Viljamas Šoklis.

Lauko tranzistorius – trijų elektrodų puslaidininkis prietaisas, kuriame srovę kuria pagrindiniai krūvininkai, veikiami išilginio elektrinio lauko, o srovės stiprumas valdomas skersiniu elektriniu lauku, kurį sukuria įtampa, prijungta prie valdymo elektrodo.

Atsižvelgiant į konstrukcinius ypatumus, visus lauko tranzistorius galima suskirstyti į dvi grupes:

1. lauko tranzistoriai su pn sandūromis (kanaliniai arba vienpoliai tranzistoriai);2. lauko tranzistoriai su izoliuota užtūra (MDP arba MOP tranzistoriai).

Kanalo srovės stiprumas priklauso nuo įtampos Us, prijungtos tarp santakos (D) ir ištakos (S), apkrovos varžos ir puslaidininkinės plokštelės tarp santakos ir ištakos varžos. Kai Us ir Ra yra pastovios, kanalo srovė Is (santakos srovė) priklauso tik nuo kanalo skerspjūvio efektyviojo ploto. Šaltinis Eui sukuria užtūroje (G) neigiamą įtampą, o dėl to padidėja pn sandūros storis ir sumažėja srovei laidaus kanalo skerspjūvio plotas. Mažėjant kanalo skerspjūviui, didėja varža tarp ištakos ir santakos ir silpnėja srovė Is. Sumažėjus užtūros įtampai, sumažėja kanalo varža ir sustiprėja srovė Is. Nuosekliai prie Eui prijungus stiprinamos kintamosios įtampos šaltinį Uin, kanalo srovę galima keisti įėjimo įtampos kitimo dėsniu. Santakos srovė, tekėdama apkrovos rezistoriumi Ra, sukuria jame įtampos kritimą, kuris kinta Uin dėsniu. Tinkamai parinkus Ra, galima pasiekti, kad padidėtų išėjimo įtampos amplitudė, lyginant su įėjimo įtampos amplitude, t. y. sustiprinti signalą. Lauko tranzistoriai su izoliuota užtūra yra šitokios struktūros: metalas – dielektrikas (oksidas) – puslaidininkis. Todėl dažnai jie vadinami MDP, arba MOP, tranzistoriais.

Puslaidininkiai Lietuvoje

Puslaidininkių fizikos institutas buvo įkurtas 1967 m. sausio 1 d., kaip vienas iš Lietuvos mokslų akademijos institutų.

9

1969 m. Puslaidininkių fizikos insitutui suteiktas SSSR vadovaujančios mokslo įstaigos, nagrinėjančios puslaidininkių fizikos, karštųjų elektronų ir plazmos puslaidininkiuose problemas, statusas.1971 m. institutas persikėlė į naujas patalpas – A.Goštauto g. 11. Instituto moksliniai laimėjimai buvo pažymėti Lenino premija, 3 SSSR ir 15 Lietuvos valstybinių premijų.1977 m. S.Ašmonto, J.Poželos, K.Repšo atrastas ir ištirtas elektrinio laidumo ir elektrovaros jėgos asimetrijos susidarymo vienalyčiame izotropiniame puslaidininkyje reiškinys pripažintas atradimu. Tai pirmasis mokslinis atradimas, užregistruotas Lietuvoje.

Juras Požėla

Akademikas Juras Požela - vienas žymiausių mokslininkų puslaidininkių fizikoje, kieto kūno plazmos ir puslaidininkių karštųjų elektronų fizikos mokyklos Lietuvoje kūrėjas ir vadovas.Jo sukurtas Puslaidininkių fizikos institutas tapo stambiu Lietuvos mokslo centru, turinčiu didelę įtaką šios krypties moksliniams tyrimams pasaulyje.

J. Požėlos nuopelnai ir užimamos pareigos

J.Požela yra apie 100 išradimų autorius, parašė monografijas: "Karštieji elektronai" "Gano efektas" "Plazma ir srovės nestabilumai puslaidininkiuose", "Karštųjų elektronų pernaša puslaidininkiuose“ ir t.t.

Šiuo metu akademikas Juras Požela yra vyriausiasis mokslo darbuotojas Puslaidininkių fizikos institute, dirba mokslinį darbą, skaito paskaitas studentams, vadovauja doktorantams, rašo ir recenzuoja mokslinius straipsnius, dalyvauja mokslinėse konferencijose.

Juros Požėlos darbai

Akademikas Juras Požela kartu su bendradarbiais ištyrė puslaidininkių karštųjų krūvininkų judrumą, jų generacijos dėsnius, įšilimo inerciją, karštųjų elektronų emisiją, išnagrinėjo elektronų įkaitimo iki griūtinės jonizacijos energijos dinamiką, karštųjų elektronų ir magnetinių plazminių bangų sklidimą  sudėtingos juostinės struktūros puslaidininkiuose. 1977 m. su S. Ašmontu ir K. Repšu atrado elektrovaros jėgos ir laidumo asimetrijos susidarymą vienalyčiame izotropiniame puslaidininkyje. Ištyrė griūtinę jonizaciją puslaidininkiuose, karštųjų krūvininkų injekciją ir jų sąlygotą superaukštojo dažnio elektromagnetinių virpesių generaciją griūtinuose dioduose. Jo sukurta karštųjų elektronų tyrimo puslaidininkiuose SAD metodika ir šiuo metu naudojama daugelyje šalies ir užsienio laboratotijų.

10

Vakuuminė elektronikaIstorija

Vakuuminės elektronikos raidą sudaro trys etapai, ji prasidėjo XIX a. II pusėje, kuomet buvo padaryta daug išradimų, pritaikytų elektroniniuose prietaisuose. Vakuuminio diodo ir lempinio triodo išradimas – tai vakuuminės elektronikos, I laikotarpio, pradžia.

Nuo XX a. II dešimtmečio išsiplėtė išrastų prietaisų taikymas: pradėjo vystytis telekomunikacija, radiofonija, televizija, radionavigacija, radiolokacija ir pan. Kai kurie elektroniniai įrenginiai, pvz.,gyvsidabrio lygintuvai, yra plačiai taikomi elektroenergetikoje. Iš pradžių jie buvo naudojami metalurgijos ir chemijos pramonės (aliuminio, vario, magnio, vandenilio ir t.t gamyboje), aukštos nuolatinės įtampos elektros energijos perdavimo sistemose kintamajai srovei lyginti. Elektronikos pasiekimai taikomi moksliniuose tyrimuose, matavimo aparatūroje, ligų diagnostikoje ir terapijoje.

1939–1945 m. vystosi mikrobangė elektronika (ji taikoma kariniams tikslams), veikianti didelių dažnių diapazone (daugiau kaip kelių šimtų MHz). Mikrobangės lempos naudojamos radariniuose įrenginiuose. Sparčiai vystosi radiotechnika, telemechanika, televaldymas (tolimo signalų perdavimo valdymas) ir telemetrija (tolimas matavimo signalų perdavimas). Vystosi aviacija ir raketinė technika (sukuriami savivaldžiai sviediniai – V-1, V-2, o vėliau amerikietiški JB-2). Elektroniniai prietaisai miniatiūrizuojami, jie darosi patikimesni. Diskretiniai elementai, pvz., aviacijoje, buvo nepatogūs: dideli ir sunkūs, naudojo didelę galią, brangūs, nelabai patikimi. Pažymėtina, kad elektronikos vystymosi I laikotarpyje elektroninių elementų skaičius kai kuriuose įrenginiuose didėjo kas 10 metų maždaug viena eile arba, trumpai sakant, didėjo kai kurių įrenginių elektronizacija. Pavyzdžiui, telefoninis stiprintuvas 1920 m. turėjo apytikriai 10

11

elektroninių elementų, o panašus radijo ryšio įrenginys 1930 m. – apie 200 elementų, iš jų – 20 lempų. 1942 m. bombonešio B-17 elektroninė aparatūra turėjo maždaug 200 000 elektroninių elementų, o panaši lėktuvo B-47aparatūra 1952 m. turėjo 10 kartų daugiau elementų.

Po Antro pasaulinio karo elektronika taikoma dar plačiau, kadangi tobulėja televizija ir pramoninė elektronika.

Vienas didžiausių elektronikos pasiekimų yra tranzistorius|dvipolio tranzistoriaus išradimas. Prasidėjo elektronikos raidos II laikotarpis – puslaidininkinės elektronikos vystymasis.Puslaidininkiniai prietaisai maži, lengvi, nedidelė maitinimo įtampa ir galia, labai patikimi, todėl jie nukonkuravo elektronines lempas. Tačiau yra sričių, kur elektroninės lempas pakeisti puslaidininkiais prietaisais netikslinga ir net negalima. Pastaruoju metu naudojamos tik specialios elektroninės lempos – elektroniniai vamzdžiai, superaukštadažnės lempos, ir didelės galios lempos. Vakuuminės lempos, kažkada buvusios pagrindiniu elementu radijo aparatuose, televizoriuose, siųstuvuose, radaruose ir kituose elektros prietaisuose, atrodė, tapo istorija jau prieš kelis dešimtmečius, ir išliko gal tik ypač aukštos klasės garso atkūrimo aparatūroje. Juos pakeitė puslaidininkiai elementai – pigesni, mažesni ir ekonomiškesni. Tačiau pasirodė, kad ir vakuuminės lempos turi kelis privalumus – jos yra gerokai atsparesnės išorinei jonizuojančiai spinduliuotei, o elektronai juose gali judėti greičiau, nei silicio kristaluose. NASA AMES tyrimų centro mokslininkai nutarė tuo pasinaudoti – šiuolaikinėmis technologijomis jie sukūrė miniatiūrines vakuumines lempas, kurias galima įterpti į integrines schemas. Jų pagamintas vakuuminė lempa – tranzistorius – yra vos 150 nanometrų ilgio, ir jam maitinti reikėjo 10 voltų įtampos – gerokai mažiau, nei anksčiau, kuomet elektronams vakuume įgreitinti reikėjo tūkstančių voltų įtampos. Tikimasi, kad toliau tobulinant tokius tranzistorius, jiems gali pakakti ir vieno volto įtampos – tada jie jau galės konkuruoti ir su puslaidininkiniais tranzistoriais. O didžiausias privalumas, kaip teigia mokslininkai straipsnyje „Vakuuminė nanoelektronika – atgal į ateitį“, išspausdintame žurnale „Applied Physics Letters“, būtų, kad tokie tranzistoriai galės patikimai dirbti prietaisuose, naudojamose kosmose, pavojingose aplinkose, pavyzdžiui, netoli branduolinių objektų, taip pat galės būti naudojami ir didelės spartos telekomunikacijų prietaisuose. Atsiradus tranzistoriui, sparčiai ėmė vystytis sudėtinga miniatiūrinė elektroninė aparatūra. Tačiau miniatiūrizacijai, susijusiai su vakuuminių lempų pakeitimu tranzistoriais, trukdė sunkumai, susiję su kosminiais įrenginiais, karine aparatūra, didelėmis valdymo ir kontrolės sistemomis, skaičiavimo technikos gamyba ir montažu.1960 m. buvo pagamintos pirmosios puslaidininkinės integrinės mikroschemos (IMS). Prasidėjo mikroelektronikos vystymasis – III raidos laikotarpis, kuris tesiasi iki šiol.

1968 m. JAV buvo pagaminta daugiau kaip 100 milijonų integrinių mikroschemų, kurios buvo žymiai pranašesnės, ekonomiškesnės ir patikimesnės. Jų kaina priartėjo prie pavienių tranzistorių kainos.

Laikui bėgant didėjo IMS integracijos laipsnis. 1970 m. pagamintos didelio integracijos laipsnio integrinės mikroschemos (DIS). DIS turi nuo šimto iki kelių šimtų tukstančių elementų. DIS technologija yra tokia pat, kaip ir MOP tranzistorių – planarinė.

12

Puslaidininkis lazeris tapo pagrindu sparčiai vystytis kvantinei elektronikai. Plačiai paplitę optoelektroniniai elementai, kurių veikimui naudojamas įvairių bangos ilgių elektromagnetinis spinduliavimas.

Vakuuminė radiolempa

Vakuuminės radiolempos veikimas.

Viena paprastesnių radijo lempų, skirta stiprinti signalui, vadinama triodu. Ji padaryta šitaip: stiklinėje kolboje, iš kurios ištrauktas oras, yra įtaisyta keletas elektrodų. Piešinuke apačioje horizontaliu brūkšniu pavaizduotas elektrodas, vadinamas katodu.

Po juo – kaitinimo siūlas, skirtas katodui įkaitinti iki maždaug 800 laipsnių temperatūros. Esant tokiai temperatūrai, lempos katodas pradeda spinduliuoti elektronus, aplink katodą atsiranda visas elektronų debesėlis. Kaip žinome, elektronas yra neigiamo krūvio dalelė. Viršutinėje kolbos dalyje brūkšniu pavaizduotas kitas elektrodas, vadinamas anodu. Jei prie anodo prijungsime teigiamą baterijos polių, o prie katodo – neigiamą, atsiradęs elektrinis laukas pradės traukti neigiamo krūvio elektronus prie teigiamo potencialo anodo ir grandinėje baterija – katodas – anodas pradės tekėti srovė. Srovė tekės vakuumu, nešama elektronų. Srovės dydis priklausys nuo keleto veiksnių: nuo katodo spinduliavimo intensyvumo, nuo įtampos anodo grandinėje, nuo atstumo tarp anodo ir katodo, t. y. lempos konstrukcijos. Dabar įtaisykime tarp katodo ir anodo dar vieną elektrodą, konstruktyviai tinklelio pavidalo. Tinklelį patalpinkime arčiau katodo nei anodo ir paduokime į jį nedidelę neigiamą įtampą. Kas gausis? Dalis elektronų, išspinduliuotų katodo, bus tinklelio stumiami atgal, priverdami jiems kelią iki anodo (neigiamas tinklelis atstums neigiamus elektronus). Dalis gi pro tinklelio tarpus vis tik pasibraus iki anodo, bet srovė per lempą bus sumažėjusi. Keisdami tinklelio potencialą, galėsime keisti ir srovę per lempą, o tinklelio nedideli įtampos pokyčiai gan stipriai keis lempos srovę, kadangi tinklelis yra arčiau katodo, ir jo lauko poveikis gerokai stipresnis nei anodo sukuriamo lauko. Jei lempos anodo grandinėje įjungsime rezistorių, tai srovės pokyčiai per jį duos gan nemažus įtampos pokyčius, gerokai didesnius nei įtampos pokyčiai tinklelio grandinėje. Faktiškai gausime sustiprintą tinklelio signalą.

Vakuuminis vamzdis

Dar vienas vakuuminės elektrotechnikos pavyzdys - Katodinių spindulių vamzdis. Tai elektrovakuuminis prietaisas, kuriame fosforescuojančiame ekrane vaizdą kuria elekttonų pluoštelis. Tokį vamzdį sudaro didelė vakuuminė kolba, kurios gale yra elektronų šaltinis (srovės kaitinamas siūlas). Kolboje sukuriami elektriniai ir magnetiniai laukai elektronus įgreitina ir sufokusuoja į

13

pluoštelį, kuris greitai „bėga“ kitoje kolbos pusėje esančiu ekrano paviršiumi. Ekrano paviršius iš vidaus padengtas medžiaga, kuri švyti į ją atsitrenkiant pagreitintiems elektronams.

Privalumai: Tokį prietaisą nesunku pagaminti. Gerai atkuria spalvas ir atspalvius. Šviečia gana ryškiai. Turi platų apžvalgos kampą.

Trūkumai: Naudoja daug elektros energijos. Darbui reikalinga aukšta elektros įtampa, kuri pavojinga žmogaus gyvybei. Didelis ir pavojingas (jei dūžta vakuuminė kolba) prietaisas.

Elekrovakuuminis diodas

Elektrovakuuminis diodas – du elektrodus turintis lempinis prietaisas. Diodo taikymas paremtas jo savybe elektros srovę praleisti tik viena kryptimi (iš anodo į katodą).

Veikimo principas.

Lempinis diodas turi du elektrodus – katodą ir anodą. Katodas yra laisvųjų elektronų šaltinis. Kaitinant katodą, vyksta termoelektroninė emisija: elektronai išlekia iš katodo ir sudaro aplink jį neigiamą erdvinį krūvį, kurio elektrinis laukas trukdo tolesniam elektronų išlėkimui, t. y., šis elektrinis laukas sudaro potencialinį barjerą.

Kai prie anodo prijungiama teigiama įtampa, ji mažina potencialinį barjerą prie katodo paviršiaus, todėl elektronai, turintys didesnę energiją, išlekia iš erdvinio krūvio srities, patenka į anodinės įtampos elektrinį lauką ir juda anodo link – atsiranda anodinė srovė.

14

Kadangi elektronai neigiami, pagal srovės apibrėžimą ji teka iš anodo į katodą, nors ją nešančios dalelės juda priešinga kryptimi.

Kai prie anodo prijungiama neigiama anodinė įtampa, elektronai turėtų keliauti iš anodo į katodą. Tačiau anodas nėra kaitinamas, todėl elektronai negali palikti anodo metalinės plokštelės, ir diodu elektros srovė neteka. Todėl diodas praleidžia srovę tik viena kryptimi. Nekaitinamą elektrodą žymus elektronų kiekis gali palikti tik esant itin aukštoms įtampoms, kurios yra už diodo darbo įtampų intervalo.

Jei lempa kaitinama kintamąja srove ir kaitinimo siūlas betarpiškai tarnauja kaip katodas, potencialų skirtumas tarp anodo ir katodo viename siūlo galų nežymiai svyruoja kaitinimo įtampos dažniu. Taigi šiek tiek svyruoja ir diodu tekanti srovė (jaučiamas kintamosios srovės fonas). Neretai tai neleistina, todėl dažnai kaitinimo siūlas būna elektriškai izoliuotas nuo katodo plokštelės.

Žymimas:

Diodo, kurio kaitinimo grandinė atskirta nuo katodo elektrodo, ženklas.

Diodo, kurio kaitinimo ir katodo grandinė bendra, ženklas.

Kvantinė elektrodinamika

Istorija

Galima sakyti, kad kvantinės elektrodinamikos atsiradimui buvo svarbi kvantinės mechanikos raida. Labai svarbus momentas - N. Boro įvestas kvantavimas ir L. de Broilio išaiškinta banginė subatominio pasaulio prigimtis. Taip pat svarbu ir Heizenbergo sumanyta matricinė mechanika, Šrėdingerio lygtis ir daug kitų kvantinės mechanikos aspektų, Tačiau svarbiausiais derėtų laikyti kvantinės mechanikos pritaikymą laukams, kas atvedė iki kvantinės lauko teorijos sukūrimo ir dėka tokių mokslininkų kaip R. Feinmanas, F. Dysonas, J Švingeris ir S. I. Tomonaga, atvedė prie kvantinės elektrodinamikos. Verta paminėti, kad prie kvantinės elektrodinamikos kūrimo, ko gero, labiausiai prisidėjo R. Feinmanas, kuris naujai aprašė kvantinę mechaniką savo disertacijoje ir toliau plėtojo pagrindinius dėsnius, kas ir lėmė šios teorijos gimimą 1940 metais. Už darbus kvaninės elektrodinamikos srityje Feinmanui, Švingeriui ir Tomonagai 1965 metais buvo paskirta fizikos Nobelio premija. Kvantinė elektrodinamika naudoja kovariantinį ir kalibraciškai invariantinį stebimų dydžių skaičiavimą. Feinmano matematinė technika, pagrįsta jo diagramomis, atrodė visai kitokia nei operatorinė Švingerio ir Tomonagos priartėjimų metodas, bet vėliau Freeman’as Dyson’as parodė, kad šie metodai yra ekvivalentiški. Renormalizacija, kaip įrankis nereikalingų begalinių rezultatų pašalinimui QFT, pirmą kartą buvo realizuotas QED. Ir, nors šis ,,aparatas veikė gerai, Feinmanas niekada juo nebuvo patenkintas. QED buvo tarsi pavyzdys visoms kitoms QFT. Viena tokia ,,pasekmė“ yra Kvantinė Chromodinamika(QCD), kurios pradžia laikomi 1960 metai. Labiausiai prie šios teorijos prisidėję fizikai: , Sidney Coleman, David Gross and Frank’as Wilczek’as. Vėliau Švinger’is, Peter’is Higgs’as, Steven‘as Weinberg‘as įrodė, kad silpnosios sąveikos teorija gali būti sujungta su QED. Taip gimė Elektrosilpnosios sąveikos teorija (angl.- Theory of electroweak interactions).

15

Kvantinė elektrodinamika (angl.-Quantum Electrodynamics; QED) yra reliatyvistinė kvantinė lauko teorija (angl.-Quantum Field Theory;QFT) pritaikyta elektrodinamikai. Ji buvo išvystyta daugybės mokslininkų dėka pradedant 1920 metais. Teorija aprašo kaip sąveikauja elektronai, pozitronai ir fotonai. Kvantinė Elektrodinamika matematiškai aprašo visus reiškinius, susijusius su elektriniais krūviais, kaip apsikeitimą fotonais. Dėl itin didelio tikslumo ši teorija buvo pavadinta ,,fizikos brangakmeniu“. Ji davė itin tikslias elektrono anomalaus magnetinio momento ir Lembo poslinkio vertes. Kvantinė elektrodinamika kartais dar apibrėžiama kaip perturbacinė elektromagnetinio kvantinio vakuumo teorija.

Mažiausią energijos kiekio - kvanto - sąvoką 1900 m. įvedė M. Plankas. Kvantinę mechaniką kūrė ir svarbiausias jos idėjas paskelbė N. Boras, V. Heizenbergas, P. Dirakas, E. Šrėdingeris ir kiti garsūs XX a. pirmosios pusės mokslininkai.

Kvantinė mechanika padeda giliau pažinti atomų struktūrą, cheminių ryšių prigimtį, periodinę cheminių elementų sistemą, elementariųjų dalelių savybes. Kadangi makroskopinių kūnų savybes lemia juos sudarančių dalelių judėjimas ir sąveika, tai, kvantinė echanika padeda išsiaiškinti, kas lemia metalų ir puslaidininkių laidumą, kai kurių kietųjų kūnų superlaidumą, magnetines ir kitas savybes.

Kvantinė chromodinamika (angl.-Quantum Chromodynamics; QCD) kartais vadinama stipriosios sąveikos kvantine lauko teorija. Tai yra teorija, aprašanti stipriąją sąveiką (spalvinę jėgą), fundamentalią jėgą, kuria nusakoma sąveika tarp kvarkų ir gliuonų, esančių hadronų viduje. Hadronai- stipriai sąveikaujančios dalelės, sudarytos iš trijų kvarkų (Barionai) arba kvarko-antikvarko poros (Mezonai). Tai teorija, kurios kalibracinė grupė – SU(3), Yang- Mills’o teorija spalvinį krūvį turinčioms dalelėms. QCD yra kvantinė lauko teorija, priklausanti tam tikrai grupei nekomutacinių teorijų. Iš esmės, kvantinė chromodinamika yra labai panaši į kvantinę elektrodinamiką (QED), tačiau kvantinėje elektrodinamikoje mes turime tik vieną kalibracinį bozoną (sąveikos nešiklį) – fotoną, kai tuo tarpu kvantinėje chromodinamikoje yra 8 skirtingi gliuonai, turintys spalvinius krūvius. Būtent šios savybės neturi fotonas, todėl fotonai tarpusavyje nesąveikauja. Dėl sąveikų kvarkas-gliuonas bei gliuonas-gliuonas, QCD yra stipriai netiesinė ir daug sudėtingesnė teorija nei QED.

Fizikinė QED prasmė

Klasikinėje optikoje šviesa sklinda visomis kryptimis ir jos interferencijos rezultatas nusakomas pagal Ferma principą. Panašiai ir QED, šviesa sklinda visomis kryptimis, kurias leidžia lęšiai. Stebėtojas užfiksuoja matematinį rezultatą- banginių funkcijų sumą kaip atskirų integralų sumą. Pagal QED, šviesa gali keliauti didesniu ar mažesniu greičiu nei c (įprastas šviesos greitis vakuume), bet jos vidutinis greitis bus lygus c. Fizikiniu požiūriu, QED aprašo krūvį turinčias daleles ir antidaleles, kurios tarpusavyje sąveikauja apsikeisdamos fotonais. Šių ,,mainų“ dydis apskaičiuojamas remiantis perturbacijų teorija; sudėtingos ir didelės formulės aprašo tai, kas vaizduojama Feinmano diagramose. Šis metodas buvo sugalvotas remiantis teorine Lagranžo mechanika. Feimano diagramomis aprašomos visos galimos trajektorijos tarp pradinio ir galinio taško. Kiekviena trajektorija pažymima sudėtinga matematine išraiška, kuri nurodo tikimybės amplitudę, kad dalelė judės būtent duotąja trajektorija. Amplitudė, kurią mes fiksuojame yra suma visų amplitudžių visomis galimomis kryptimis. Trajektorijos su stabiliomis fazėmis duoda didžiausią indėlį- tai yra pastovi klasikinė trajektorija tarp dviejų duotų taškų. QED nenumato, koks bus eksperimento rezultatas, bet ji duoda tikimybę, kad eksperimento metu bus gautas vienoks ar kitoks rezultatas. QED tikslumas tikrai didelis: teorinės prognozės ir eksperimentų rezultatai sutapo

16

net 10-12 dalių tikslumu ir šis tikslumas būtų dar didesnis jei nebūtų eksperimentinių metodų paklaidų. Todėl QED yra viena iš labiausiai išbaigtų fizikos teorijų.

QCD medžiaga

Kvarkų medžiaga arba QCD medžiaga priklauso bet kokiam skaičiui teorinių fazių medžiagos, kurios laisvės laipsniai apima kvarkus ir gliuonus. Šios teorinės fazės (būsenos) turi atsirasti nepaprastai aukštoje temperatūroje ir esant tankiui milijardus kartų didesniam nei tas, kurį išgauna geriausios laboratorijos. Esant tokioms sąlygoms paprasta medžiagos struktūra, kurioje kvarkai surišti į nukleonus, o šie – į atomų branduolius, apsuptus elektronų, suyra ir kvarkai gali laisvai tekėti. Standartiniame modelyje stipriausia jėga yra stiprioji sąveika, kurią aprašo kvantinė chromodinamika. Paprastose medžiagos būsenose ir tankiuose, ši jėga suriša kvarkus ir laiko juos savo veikimo nuotolyje- 10-15m= 1 fm. Taigi, įprastomis sąlygomis dideliuose atstumuose stipriosios sąveikos galima visiškai neįskaityti. Tačiau, kai temperatūra pasiekia QCD skalę- 1012K, hadronai ,,išsilydo” į atskirus kvarkus ir stiprioji sąveika yra vyraujanti, nes paprastai atsumas tarp kvarkų yra mažesnis nei 1 femtometras. Tokios fazės ir vadinamos kvarkų medžiaga arba QCD medžiaga.

Kvantinės chromodinamikos medžiaga turi egzistuoti labai ekstremaliose sąlygose. Pirmiausia, tokia būsena galėjo egzistuoti visatoje praėjus 10-6 sekundės po Didžiojo sprogimo, kuomet kvarkai ir gliuonai dar buvo laisvi ir nesusijungę į atomų branduolius. Būtent tada galėjo egzistuoti kvarkų- gliuonų plazmos būsena, o kosmologijoje šis laikotarpis taip ir vadinamas- kvarkų- gliuonų era. QCD medžiaga gali egzistuoti ir dabartinėje visatoje. Pagrindinis jos šaltinis gali būti neutroninės žvaigždės. Jos yra daug vėsesnės nei 1012K, tačiau tai labai kompaktiški objektai, kuriose slėgį sukuria savo sluoksnių svoris ir milžiniška gravitacija. Todėl, QCD medžiaga gali egzistuoti neutroninių žvaigždžių viduje. Kompaktiškos neutroninės žvaigždės, kurios būtų sudarytos iš kvarkų, yra vadinamos kvarkų žvaigždėmis (angl.- quark stars) arba keistosiomis žvaigždėmis (angl.- strange stars).

Dar viena objektų klasė, kurioje galėtume ieškoti kvarkų medžiagos, yra vadinama keistaisiais objektais (angl.- strangelets). Tai hipotetiniai tarpžvaigždinės erdvės gabalai. Jie egzistuotų tik tada, jei branduolinė medžiaga yra metastabili ir skyla į kvarkus. Žemėje tokią medžiagos būseną būtų įmanoma išgauti sunkiųjų jonų susidūrimuose (angl.- Heavy ion collision). Fizikai dalelių greitintuvuose gali sukurti mažus trumpai gyvuojančius regionus, kurių savybės primena visatą praėjus 20 mikrosekundžių po Didžiojo sprogimo. Tai pasiekiama susiduriant iki reliatyvistinių greičių pagreitintiems sunkiems (Pb, Au) jonams.

Išorinio fotoefekto dėsniai

Elektronų spinduliavimas iš kietųjų kūnų ir skysčių, absorbavus jiems elektromagnetinį spinduliavimą, vadinamas išoriniu fotoefektu. Jį pirmąkart 1887 m. pastebėjo H. Hercas. Apšvieskime metalą monochromatine šviesos banga, kurios amplitudė Em. Elektromagnetinės bangos intensyvumas I yra tiesiog proporcingas amplitudės kvadratui. Apšviesto metalo laisvąjį elektroną elektrinis laukas veikia periodiškai kintančia jėga

17

ir elektronas virpa lauko kitimo dažniu. Virpėjimo amplitudė tiesiog proporcinga elektrinio lauko amplitudei Em, todėl galima tikėtis fotoefekto dėsningumų.

1. Elektronai neišlėks iš metalo tol, kol amplitudė Em (atitinkamai šviesos intensyvumas) nepasieks tam tikros metalui būdingos krizinės vertės, pakankamos išlaisvinti elektronui. Kitaip sakant, fotoefektui turėtų egzistuoti šviesos intensyvumo slenkstis. 2. Fotoelektronų energija turėtų būti tiesiog proporcinga šviesos intensyvumui. Šiuos spėliojimus visiškai paneigė A. Stoletovo ir kitų fizikų bandymai. Jais nustatyta: 1) fotoefektu nėra šviesos intensyvumo slenksčio; 2) fotoelektronų energija nepriklauso nuo šviesos intensyvumo; 3) fotoelektronų maksimali energija priklauso nuo fotoefektą sukeliančio spinduliavimo dažnio. Kiekvienai medžiagai yra savita dažnio riba, t. y. mažesnio dažnio už tam tikrą υr spinduliai fotoefekto nesukelia. Kai dažnis didesnis už šį ribinį, fotoelektronų maksimali energija Em yra tiesinė dažnio funkcija.

Dar nežinodamas šių eksperimentinių faktų, 1905 m. A. Einšteinas pasiūlė lengvai paaiškinančią fotoefektą hipotezę. Jos esmė tokia: šviesa yra tam tikros energijos E = h · υ dalelių (fotonų) srautas. Fotonai yra materialios dalelės, kurios sklisdamos išlaiko savo individualias savybes, pavyzdžiui, energiją. Elektronas, sąveikaudamas su fotonu, gali jį absorbuoti: tuomet fotonas išnyksta, o elektrono energija padidėja dydžiu E = h· υ. Fotonų srauto intensyvumas priklauso nuo šviesos šaltinio pobūdžio. Kaitinimo lempos, netgi elektros lankai, skleidžia tik tokio tankio fotonų srautą, kad tikimybė elektronui sugerti daugiau nei vieną fotoną yra nykstamai maža, kitaip sakant, tikėtina tik vieno fotono absorbcija. Remdamasis fotonine šviesos spinduliavimo ir sugėrimo hipoteze, A. Einšteinas lengvai paaiškino fotoefekto reiškinį ir jo dėsnius. Panagrinėkime vienfotonį fotoefektą, t. y. susijusį su vieno fotono absorbcija. 0 K temperatūroje esančio metalo atomų valentinius elektronus kristale apytiksliai galima laikyti laisvai judančiais gylio V0 potencinės energijos duobėje (2 pav.) taigi jų potencinė energija yra neigiama.

Kinetinė šių elektronų energija gali kisti nuo nulio iki didžiausios vertės EF, vadinamos Fermio energija, arba Fermio lygmeniu. Taigi suminė jų energija yra neigiama. Potencialo duobės gylis ir Fermio energijos vertė priklauso nuo metalo prigimties. Fermio lygmenyje esančiam elektronui suteikus energijos kiekį, lygų A arba už jį didesnį, tas elektronas gali išlėkti iš metalo, - vyksta

18

išorinis fotoefektas. Dydis A vadinamas elektronų išlaisvinimo darbu. Jis priklauso nuo metalo rūšies ir paviršiaus būsenos (defektų, priemaišų). Turinčiam Fermio lygmens energiją elektronui sugėrus vieną fotoną, kurio energija didesnė už išlaisvinimo darbą, jis išlėks turėdamas didžiausią kinetinę energiją:

Em = h · υ - A.

Ši lygtis vadinama Einšteino lygtimi fotoefektui. Ji išreiškia energijos virsmų ir tvermės dėsnį. Lygtis atitinka 1 paveikslo grafiką. Iš jos matyti, kad 1 paveiksle tiesės posvyrio kampo tangentas yra lygus Planko konstantos h skaitinei vertei. Jei energijos E = h · υ fotoną sugeria elektronas, esantis žemiau Fermio lygmens, tai, išlėkęs iš metalo, tas elektronas turi kinetinę energiją E < Em. Tuomet, kai sugerto fotono energija E < A, fotoefektas nevyksta. Jis prasideda tik nuo dažnio υr tenkinančio lygybę h · > υr = A. Šis dažnis vadinamas ribiniu.

Lazeriai

Lazeriai arba kvantiniai optiniai generatoriai yra XX amžiaus antroje pusėje atrasti koherentiniai spinduliuotojai su labai įdomiomis ir naudingomis savybėmis. Šiandien žinomi įvairūs lazerių tipai: dujiniai, kristaliniai, puslaidininkiniai, tolydaus ar impulsinio režimo. Jie išspinduliuoja infraraudonuosius, regimuosius, ultravioletinius spindulius. Lazerių galia – nuo milivato iki dešimčių teravatų. Lazeriniams šviesos šaltiniams būdingas išspinduliuotų bangų monochromatiškumas – visi fotonai neša beveik po vienodą energijos kiekį, t.y. visos bangos beveik vienodo dažnio. Lazerių spinduliavimo mechanizmas grindžiamas tuo, kad juose egzistuoja dviejų rūšių pusiausvyros būsenos: stabilioji ir metastabilioji. Stabilioji yra ta, kurios energija yra minimali – į kurią pusę beveiktų chaotiška pašalinė jėga, vis tiek grįš į būtąją stabilią būseną. Metastabili būsena – su negiliu potencinės energijos įdubimu: kol trikdanti jėga silpna, iš tos būsenos neišeina. Tačiau, kadangi mikropasaulyje dominuoja atsitiktinumai, metastabili būsena išsilaiko ne ilgiau nei milisekundę. Metastabilios būsenos įvaizdis – ant stalo pastatytas pieštukas prasidedant pertraukai. Atomas pereina į aukštesnę (sužadintą) būseną arba pagrobdamas fotoną, kuris atneša reikiamą energijos kiekį, arba gaudamas tą energiją iš kitų atomų, elektronų, jonų. Išspinduliuoja atomas dviem būdais: spontaniškai – savaime, veikiamas atsitiktinių priežasčių ir priverstinai (indukuotas spinduliavimas). Priverstinio išspinduliavimo procesą nuspėjo ir jo dėsningumą nusakė 1916 m. A. Einšteinas. Jo esmė: jei atomas yra metastabilios būsenos, iš kurios jis galėtų pereiti į žemesnę, tai jis iškart į ją pereina, jei į atomą pakliūva fotonas su būtent tokia energija. Taigi, atklydęs fotonas išvilioja iš atomo savo antrininką, kad jau toliau skrietų ta pačia linkme dviese. 1 pav. pateiktos minėtų trijų procesų schemos: a - sužadinimas, pagrobus fotoną, b - savaiminis (spontaninis) išspinduliavimas, c - indukuotas spinduliavimas.

19

Jei skaidri medžiaga gali būti dviejų energijos būsenų E1 ir E2 > E1, atskriejusio fotono dažnis υ = ΔE/h. Normaliomis sąlygomis - tai parodė dar Bolcmanas – būsenų su mažesne energija E1 būna daugiau nei su energija E2. Tačiau tada, kai per medžiagą skrieja rezonansinio dažnio fotonai, kurių energija ΔE = E2 - E1, juos pagrobus, ima dominuoti aukštesnio energijos lygmens E2 molekulės. Sakoma, kad tada turime inversinę padėtį, kuri yra tik metastabili. Tad betrūksta iniciatoriaus, kuris pirmasis išspinduliuotų fotoną su energija ΔE = E2 - E1, kad jis drauge su likimo dvyniais išlėktų iš medžiagos šviesos srauto pavidalu. Jeigu tokia grupelė fotonų paliktų medžiagą iškart, kitos molekulės, kurių šie fotonai “neužkliudė”, nespinduliuotų. Kad taip neatsitiktų, išsilaisvinusieji grįžta atgal. Tuo tikslu spinduliuotojo galuose įtaisomi du lygiagretūs veidrodžiai: vienas atspindintis absoliučiai, kitas sąlyginai – jis “atveria” šviesai vartus, kai jos fotonų energija pasiekia pakankamą lygį. Tada ir išlekia fotonų žybsnis. Visi tie fotonai vienodi – to paties dažnio, tos pačios poliarizacijos, tos pačios fazės, t.y. koherentiški. Už tokio spinduliavimo 1954 metais realizavimą JAV mokslininkas Č. Taunsas ir rusų mokslininkai N. Basovas bei A. Prochorovas gavo Nobelio premiją. Beje, pirmuoju kvantiniu generatorium gauta ne šviesos, o “televizinė” λ = 1,27 cm. ilgio banga. Kad lazerio medžiaga įgytų spinduliavimui reikalingų energijų, reikia jį “pamaitinti” ar optiniu, ar cheminiu, ar elektrinės iškrovos, ar kitu būdu. Tačiau, jeigu jo energijos lygmenys bus keliami ta pačia energija, kurią išspinduliuoja fotonai, vyks ne tik energijos pakrovimo, bet ir išspinduliavimo procesas, ir inversinė būsena nesusikurs. Todėl lazeriams naudojama medžiaga, turinti dar trečiąjį (būna – ir ketvirtą) energijos lygmenį, nedaug mažesnį už antrąjį. Būtent, laikinai energiją paėmę į antrąjį, pamažu nušoka į trečiąjį ir ten laukia griūties momento.

Lazerio sandara ir veikimo principas

Lazerį, arba optinį kvantinį generatorių, sudaro stiprinimo bei selekcijos elementai. Stiprinimo elementas - tai aktyvioji terpė.

Aktyvioji terpė, kurioje pasiekta atomų apgrąžinė užpilda, gali sustiprinti per ją sklindančią mažo intensyvumo spinduliuotę (iki 10 000 kartų). Selekcijos elementas - tai optinis rezonatorius. Tik tam tikro dažnio spinduliuotė, sklisdama išilgai rezonatoriaus optinės ašies pirmyn ir atgal, patiria rezonansą. Kartu šių dažnių spinduliuotei sudaromos teigiamojo grįžtamojo ryšio sąlygos, taigi kartu gaunamas veiksmingas stiprinimas. Aktyvioji terpė dedama tarp dviejų rezonatoriaus veidrodžių, kurie yra labai tiksliai orientuoti. Energiją, reikalingą atomų apgrąžinei užpildai pasiekti, aktyvioji terpė gauna kaupinimo proceso metu. Priklausomai nuo lazerio tipo kaupinimas realizuojamas tekant elektros srovei, vykstant cheminėms reakcijoms, apšviečiant ir kt. būdais. Naudingoji energija yra lazerio spinduliuotės energija. Likusi kaupinimo energijos dalis yra išskiriama šilumos pavidalu arba išspinduliuojama į šalis rezonatoriaus viduje. Lazerio spindulys paprasčiausiu atveju yra išvedamas per kurį nors vieną rezonatoriaus veidrodį, kurio pralaidumo vertė parenkama iš anksto.

20

Šaltiniai:

http://ik.su.lt/http://lt.wikipedia.org/http://en.wikipedia.org/http://www.fizikams.lt/http://www.elektronika.lt/http://www.technologijos.lt/Fizikos vadovėlis 12 klasė.

21