2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения

Согласно законам квантовой физики энергия электрона в атоме может иметь лишь определенный дискретный ряд значений:Е₁, Е₂,…,Е_n.Эти значения называютсяуровнями энергии. Уровень с наименьшей энергией называется основным, другие уровни, с более высокой энергией – возбужденными (рис.2.19).

При переходе атомного электрона с одного энергетического уровня на другой атом может излучать или поглощать энергию. Эта энергия равна

hν_ik = E_i - E_k (2.100)

Между двумя энергетическими уровнями с энергией E_iиE_k возможны три типа оптических процессов (рис.2.20):

1. спонтанное излучение;

2. вынужденное излучение;

3. поглощение.

Дадим их краткое описание.

1. Спонтанное излучение.Пусть атом находится в одном из возбужденных состояний с энергиейE_i . Возбужденное состояние является неустойчивым, и спустя некоторое времяτ ≈10^-8 сатом спонтанно перейдет в одно из состояний с меньшей энергиейE_к с излучением фотона.

Спонтанные переходы являются случайными процессами, поэтому момент испускания фотона, его направление, поляризация также случайны. Излучение обычных источников света возникает за счет актов спонтанного испускания, поэтому оно некогерентно, немонохроматично, ненаправленно, неполяризованно.

2. Вынужденное излучение.Этот вид излучения был теоретически предсказан А.Эйнштейном.

Атом может перейти из возбужденного состояния E_i в состояние с меньшей энергиейE_к не спонтанно, а под действием электромагнитного излучения. Частота излучения должна удовлетворять соотношению (2.100).

Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются вынужденными (индуцированными). Отметим особенности вынужденного испускания.

Фотон, излучаемый при вынужденном переходе, абсолютно неразличим с первичным фотоном, индуцировавшим этот переход. Оба фотона имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и направление движения.

Эффект вынужденного испускания используется в оптических квантовых генераторах (лазерах). Лазерное излучение является вынужденным излучением. Оно монохроматично, когерентно, направленно и поляризованно.

3.Переходы под действием излучения из состояния меньшей энергиейE_k в состояние с большей энергиейE_i при условииhν_ik = E_i - E_kсоответствуют процессурезонансного поглощения фотонов. Этот процесс является обратным вынужденному излучению.

2.15. Лазеры

Квантовыми генераторами называются источники когерентного излучения, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Квантовые генераторы ультракоротких радиоволн называются мазерами. Квантовые генераторы, излучающие в оптическом диапазоне, называются лазерами или оптическими квантовыми генераторами. Термин «лазер» является аббревиатурой (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Рассмотрим принципы работы лазера.

1. Инверсия населенностей

Пусть на вещество воздействует свет частоты ν = (E_i - E_k )/h. Он будет вызывать два конкурирующих процесса (рис.2.21):

1 - вынужденный переход E_i E_k (излучение);

2 - вынужденный переход E_k E_i (поглощение).

Вероятности этих переходов одинаковы.

Обозначим ΔZ_ki - число переходовE_k E_i ,ΔZ_ik - число переходовE_i E_k .

Для того, чтобы получить усиление света необходимо выполнение условия

ΔZ_ik > ΔZ_ki. (2.102)

Число атомов в состоянии с энергией E_iназываютнаселенностью уровня E_i и обозначаютN_i , тогдаN_к – населенность уровня E_k .

Число переходов с энергетического уровня будет пропорционально его населенности

ΔZ_ki ~ N_k , (2.97)

ΔZ_ik ~ N_i.(2.98)

Рассмотрим систему, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия. Распределение атомов по энергетическим состояниям определится законом Больцмана:

. (2.103)

Чем больше энергия уровня, тем меньше его населенность, то есть N_i < N_к , следовательно, число переходов с излучением будет меньше числа переходов с поглощением света.Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, не может усиливать электромагнитное излучение.

Для получения усиления света необходимо создать также неравновесноесостояние в системе, при котором населенность верхнего энергетического уровня была бы больше населенности нижнего уровня

N_i > N_к.(2.104)

Такое состояние называется состоянием с инверсией населенности^.

Естественно, что не любое возбуждение и не в каждом веществе может вызвать инверсию населенностей. Среду, в которой при определенных условиях может быть создана инверсия населенностей, называют лазерной(мазерной)активной средой, а соответствующий рабочий элемент –активным элементом. Уровни энергии, между которыми может быть создана инверсия населенностей, называютрабочими лазерными уровнямиэнергии.