4. Вимушене випромінювання.

Як уже видно з самої назви, в лазері підсилення світла відбувається за допомогою вимушеного випромінювання, що проходить через речовину. Поняття вимушеного випромінювання введено Ейнштейном (1915 р.). Якщо розглядати переходи в квантовій системі, то крім самовільних (спонтанних) переходів з одного енергетичного рівня на інший, спостерігаються також вимушені (або індуковані) переходи, які обумовлені дією на атом падаючого на нього випромінювання. Спонтанні переходи можуть відбуватися тільки в одному напрямку - з більш високих рівнів на більш низькі. Вимушені переходи можуть проходити як в одному, так і в іншому напрямку. В випадку переходу на більш високий рівень атом поглинає падаюче на нього випромінювання. При вимушеному переході зі збудженого рівня на більш низький рівень відбувається випромінювання атомом фотона, додатково до того фотону, під дією якого відбувся перехід. Це додаткове випромінювання називають вимушеним (або індукованим).

Вимушене випромінювання лежить в основі роботи лазерів, так як воно має ряд важливих властивостей. Вимушене випромінювання тотожне з падаючим на речовину випромінюванням, тобто співпадає з ним по частоті, напрямку розповсюдження та поляризації. Таким чином, вимушене і зовнішнє випромінювання виявляються когерентними.

Яким чином виникає вимушене випромінювання? Розглянемо спочатку випадок, коли система атомів речовини знаходиться в термодинамічній рівновазі. В даному випадку атоми знаходяться в основному стані і на близьких до нього збуджених рівнях, тобто наповненість низьких енергетичних рівнів системи більше, ніж наповненість верхніх. Під впливом падаючого випромінювання може виникнути або поглинання атомом кванта енергії з переходом на більш високий енергетичний рівень, або індуковане випускання з переходом на один з більш низьких рівнів. Так як при термодинамічній рівновазі населеність нижніх рівнів більше, то під впливом падаючого випромінювання в одиницю часу більше число атомів переходить з нижчих рівнів на вищі, чим навпаки, тобто в звичайних умовах речовини поглинають падаюче на них випромінювання.

Якщо ж більшість атомів речовини знаходиться в збудженому стані, тобто населеність верхніх рівнів значно більше, ніж нижніх (нерівноважний стан), то під впливом падаючого випромінювання в одиницю часу більше число атомів переходить з верхніх рівнів на нижні, тобто виникає індуковане випромінювання. Внаслідок чого, маючи збуджену квантову систему з необхідними частотами переходів, можна отримати підсилення слабкого електромагнітного випромінювання. Існує декілька методів збудження квантових чисел (так званим методом накачки), в основному для цих цілей використовується оптичне опромінення. Ефект підсилення світла, заснований на індукованих переходах, можна збільшити шляхом багаторазового проходження підсиленого світла через один і той же шар «підсилюючого середовища».

Контрольні питання:

1. Енергія молекули.

2. Що представляють собою молекулярні спектри?

3. Розкажіть про комбінаційне розсіювання.

4. Принцип роботи оптичних квантових генераторів.

5. Розкажіть про вимушене випромінювання.

Література:

1. Навчальний посібник для студентів вищих технічних і педагогічних закладів освіти / Кучерук І. М., Горбачук І. Т.; за ред. Кучерука І. М. - К.: Техніка, 1999.Том 3: Оптика. Квантова фізика. - 520 с

2. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Савельев И.В. 3-е изд., испр.. - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1988.— 496с.

Узагальнюючий матеріал:

1. http://www.bestreferat.ru/referat-194310.html

(Реферат: елементи квантової фізики)

2. http://www.phys.univ.kiev.ua/videolections/category/optics/

(відеолекції з фізики)

68