1.3. Процеси випромінювання і поглинання електромагнітних хвиль

За законами квантової механіки, енергія електрона в атомі не може приймати довільних значень. Вона має певний дискретний ряд Е₀, Е₁, Е₂,...Е_n, який називається рівнями енергії. Е₀ - основний рівень - з найменшою енергією.

У 1913 р. Н. Бор (1385-1962) сформулював свої постулати, згідно яких виділяється або поглинається величина енергії, рівна різниці енергетичних рівнів, тобто .

Частотний спектр - набір електромагнітних хвиль, що випромінюються або поглинаються атомами речовини, тісно пов'язаний з енергетичним спектром атомів.

Якщо атом знаходиться у деякому збудженому стані - на рівні Е_n, то його стан нестійкий, він випромінює, переходячи на нижчий рівень Е_m. Тут має місце самовільний (спонтанний) квантовий перехід - явище випадкове в часі і просторі. Його точно передбачити неможливо, можна говорити лише про його ймовірність.

А. Спонтанне випромінювання. Енергія випускається самовільно безліччю атомів, тому це випромінювання некогерентне. Внаслідок цього випромінювання всіх природних джерел світла немонохроматичне, некогерентне і неполяризоване.

Б. Вимушене (індуковане) випромінювання є випромінюванням атомів під впливом зовнішнього поля, якщо частота електромагнітної хвилі близька до частоти переходу атома .

Вимушене випромінювання теж характеризується ймовірністю. Вперше проблему випромінювання квантових систем розглянув А. Ейнштейн. Він увів коефіцієнти А_nm і В_nm, що характеризують спонтанні і індуковані переходи, які зв'язані між собою: ;, де g_n i g_m – кратність виродження рівнів (число станів на певному рівні енергії).

Квантова система може знаходитися в стані, коли має місце:

• індуковане поглинання з ймовірністю W_mn;

• індуковане випромінювання з тією ж ймовірністю W_mn;

• спонтанне випромінювання, ймовірність якого A_nm.

Оскільки ймовірність індукованого переходу пропорційна спектральній густині випромінювання W_mn=B_mn, А. Ейнштейн показав, що, якщо

, то .

Оскільки розподіл Больцмана і В_nm=B_mn; A_nm=(8/c³)B_nm, можна отримати формулу Планка:

,

де - енергія фотона;

- середнє число фотонів, яке припадає на одне коливання монохроматичного випромінювання;

- число коливань монохроматичного випромінювання.

Висновки:

1 − із зростанням частоти вірогідність спонтанного переходу різко зростає;

2 − при » кТ система вироджується в квантово-механічну.

3 − при « кТ - система є класичною механічною.

Але в квантовій механіці не всі квантові переходи можливі, існує правило відбору. Крім того, квантова механіка не заперечує можливість безвипромінювальних переходів (S_nm - ймовірність цих переходів). Тоді повна ймовірність квантових переходів , де.

Якщо населеність N_n рівня Е_n більше населеності N_m рівня Е_m, розташованого нижче, то таку речовину називають активною.

Наростання інтенсивності потоку в активній речовині (підсилення світла) по всій довжині речовини і виразиться залежністю (законом Бугера): ,

де - коефіцієнт квантового підсилення Бугера

D_mn- матричний елемент дипольного моменту квантового переходу -

- інверсія населеності рівнів.

У природних умовах за законом Больцмана

Тому, щоб збільшити ймовірність вимушеного випромінювання, необхідно штучно збільшити населеність верхнього або зменшити населеність нижнього енергетичного рівня.

Такий стан характеризують як стан з негативною температурою, що еквівалентно "інверсії населеності".

Якщо N_n>N_m, то , то

Але в реальних процесах мають місце і релаксації. Тому , де- сумарні втрати енергії в речовині. Відтак, щоб отримати вимушене випромінювання, необхідно:

1 − мати речовину з наявними двома енергетичними рівнями, між якими можливі переходи: ;

2 − мати можливість створювати в цій речовині інверсію населеності на зазначених енергетичних рівнях: ;

3− домогтися того, щоб коефіцієнт квантового підсилення був більшим усіх втрат, тобто G≥.

Графік залежності інтенсивності випромінювання при проходженні через прозоре середовище, виразиться кривою 1, показаною на рис. 1.3.

Якщо в середовищі заселеність верхнього рівня перевищує заселеність нижнього так, що , середовище набуває надзвичайної властивості: підсилювати випромінювання на частоті переходу(крива 2 на рис.1.3.). Таке середовище називаєтьсяінверсним. Для інвертованого переходу в інверсному середовищі коефіцієнт Бугера позитивний і називається показником підсилення: .

Для нормального середовища, де немає інвертованих переходів, коефіцієнт Бугера негативний і його називають коефіцієнтом послаблення:(крива 1 на рис. 1.3).

В. Квантові переходи між енергетичними станами добре описуються кінематичними рівняннями (швидкісними рівняннями або рівняннями балансу). Цей метод використовується для вирішення цілого ряду фізичних завдань мікросвіту: накачування речовини в стаціонарному режимі; визначення типів коливань лазерного випромінювання, порогового значення накачування; обчислення ширини лінії випромінювання; отримання умов, що визначають генерацію лазерів; динаміку генерації гігантського імпульсу і т.п.

Кінетичні рівняння описують зміну в часі середніх значень кількості квантів і населеності станів квантових рівнів з урахуванням елементарних міркувань про ймовірність переходів.

Охарактеризуємо процес накачування. Накачування - це процес переводу квантових частинок на збуджені енергетичні рівні під дією певних процесів подання до системи енергії відповідної потужності, наприклад, енергії світла, електричного струму, хімічних реакцій і т.д. В результаті дії накачування утворюється інверсія населеності квантових рівнів і речовина, поглинаючи частину енергії, яка подається до неї через накачування, стає активною.

При аналізі умов отримання інверсії населеності розглядаються тільки початкові і кінцеві стани основних квантових переходів. Залежно від кількості таких станів говорять про двох-, трьох- або чотирьохрівневі схеми збурень робочих станів. Кожна з названих схем є спрощенням, що дозволяє враховувати тільки основні переходи на зазначених енергетичних рівнях.

Випромінювання накачки взаємодіє тільки з одним переходом. Цього досягають підбором спектрального складу випромінювання накачування і рівнів поглинання активної речовини, або конкретної групи рівнів, у яких вірогідність переходу з основного стану у верхні збуджені значно перевищує вірогідність всіх інших квантових переходів.

Зміна населенностей рівнів обумовлена наступними квантовими механізмами:

а - спонтанними переходами на нижні рівні з вірогідністю переходу A_nm

б - безвипромінювальними переходами, що перетворюють енергію квантових переходів в теплову з вірогідністю переходу S_nm;

в - індукованим випромінюванням (поглинанням) з вірогідністю переходу .

Проста дворівнева квантова система, де активне середовище має рівень Е₁ - основний стан і рівень; E₂ - можливий збуджений стан, показує, що при оптичному накачуванні принципово неможливо створити інверсію населенностей і отримати генерацію (рис.1.4.).

Рис. 1.4. Схема енергетичних рівнів станів дворівневої квантової системи (а) і залежність населеностей рівнів iвід густини випромінювань накачки(б).

Трирівнева квантова система (рис. 5) характерна переходами з вірогідністю:

1. Е₁→Е₃─В₁₃

2. Е₃→Е₁─В₃₁

3. Е₃→Е₂─S₃₂ – безвипромінювальні переходи;

4. Е₃→Е₁─А₃₁ – спонтанні;

5. Е₂→Е₁─А₂₁ – спонтанні.

Якщо в цій квантовій системі вірогідність переходу S₃₂>A₂₁, то, починаючи з деякої величини накачування , населеність другого рівня N₂ > N₁, тобто можлива інверсна населеність на переході Е₂→Е_{1 .}Порогова потужність накачування буде визначатися такою залежністю: _.

Крім того, необхідно, щоб активна речовина мала широку смугу поглинання і щоб підсилення перевищувало втрати.