量子欠陥

量子欠陥という用語は、レーザーのエネルギー損失とアルカリ元素のエネルギーレベルという 2 つの概念を指します。どちらも、物質が光と相互作用する量子システムを扱います。

レーザー科学において、量子欠陥という用語は、ポンプ光子のエネルギーが一般に信号光子(出力放射の光子)のエネルギーよりも高いという事実を指します。エネルギー差は熱として失われ、マルチモード非コヒーレント ポンプによってもたらされる過剰なエントロピーが運び去られる可能性があります。

レーザーの量子欠陥は、レーザー発振中に増幅媒体で失われる（発振波長の光子に変換されない）ポンピング光子のエネルギーの一部として定義できます。[ ^{1]与えられた}ポンプ周波数と与えられたレーザー発振周波数では、量子欠陥は。このような量子欠陥はエネルギーの次元を持ち、効率的な動作のためには、増幅媒体の温度 （エネルギー単位で測定）は量子欠陥に比べて小さくなければなりません。 ${\displaystyle \omega _{\rm {p}}}$${\displaystyle \omega _{\rm {s}}}$${\displaystyle q=\hbar \omega _{\rm {p}}-\hbar \omega _{\rm {s}}}$

量子欠陥は、次のように定義することもできます。与えられたポンプ周波数と与えられたレーザー周波数において、量子欠陥は、この定義によれば無次元です。^[要出典] 固定ポンプ周波数では、量子欠陥が高くなるほど、電力効率の上限は低くなります。 ${\displaystyle \omega _{\rm {p}}}$${\displaystyle \omega _{\rm {s}}}$${\displaystyle q=1-\omega _{\rm {s}}/\omega _{\rm {p}}}$

アルカリ原子の量子欠陥とは、水素波動関数の古典的な計算によって予測されるエネルギーレベルの補正を指す。アルカリ原子の単一の価電子が経験する電位の簡単なモデルは、イオン核が有効電荷eを持つ点電荷として機能し、波動関数が水素であるというものである。しかし、イオン核の構造は小さな半径での電位を変える。^[2]

水素原子の1 / rポテンシャルにより、次のように表される 電子結合エネルギーが生じます。 ここで、 はリュードベリ定数、はプランク定数、は光速、は主量子数です。 $${\displaystyle E_{\text{B}}=-{\dfrac {Rhc}{n^{2}}},}$$${\displaystyle R}$${\displaystyle h}$${\displaystyle c}$${\displaystyle n}$

軌道角運動量が小さいアルカリ原子の場合、価電子の波動関数はイオンコア内で無視できず、有効電荷eを持つ遮蔽されたクーロンポテンシャルではもはやポテンシャルを記述できなくなります。スペクトルは、角運動量に依存する量子欠陥を持つリュードベリの公式によって依然として適切に記述されます。 ${\displaystyle \delta_{l}}$$${\displaystyle E_{\text{B}}=-{\dfrac {Rhc}{(n-\delta _{l})^{2}}}.}$$

最も大きなシフトは軌道角運動量がゼロのとき（通常は「s」と表記）に発生し、これはアルカリ金属の表に示されている：^[3]

• 外部量子効率
• 太陽電池の量子効率