1. Поглощение света

Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е₁, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е₂ > E₁. Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в основном состоянии

2. Спонтанное излучение

В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10^-8-10^-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон.

Спонтанное излучение – излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

3. Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.

Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением кванта может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода

Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.

Индуцированное (вынужденное) излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в возбужденном состоянии.

У световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.

Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон индуцированного излучения атома. Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения – возникает оптическое усиление.

В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном , частота которого равна частоте перехода, высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.

В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей.

Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов).

В 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант наблюдал экспериментальное усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения.

Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и американский физик Ч.Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.

Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т.Мейманом.

Лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения

Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.

Усиление падающего на среду излучения возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения.

Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n₂ > n₁

В состоянии термодинамического равновесия с минимальной энергией усиления не происходит.

Для того, чтобы вещество усиливало проходящий через него свет, необходимо, чтобы более половины его электронов находилось в возбужденном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью уровней.

В этом случае поглощение фотонов будет происходит реже, чем испускание.

Инверсная населенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Состояние, при котором больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней.

Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной населенностью энергетических уровней.

Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильное состояние – возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (порядка 10^-3с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10^-8с)

Система атомов с инверсной населенностью энергетических уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение.

Принцип действия рубинового лазера (оптического квантового генератора)

Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Al₂O₃, в котором часть атомов имеет примеси хрома Cr³⁺.

С помощью мощного импульса лампы-вспышки («оптической накачки») ионы хрома переводятся из основного E₁в возбужденное состояние E₃.

Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой, используемую для этого лампу – лампой накачки.

Через 10^-8с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень E₂ < E₃, на котором начинают накапливаться.

Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n₂ > n₁.

Случайный фотон с энергией hυ = E₂ – E₁ может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

Для работы в режиме генератора нужна положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода подается на вход.

Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.

При соответствующей (параболической) форме отражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении.

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стрежня делают зеркальным, а другой – частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета 694.3 нм.

Основные особенности лазерного излучения:

- исключительная монохроматичность и когерентность

- очень малый угол расхождения (около 10^-5 град)

- наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Полное высвечивание всех возбужденных атомов происходит за 10^-10с, поэтому мощность лазера достигает миллиардов ватт.

Существуют также лазеры на газовых лампах, достоинством которых является непрерывность излучения.

Применение лазеров:

- связь

- точное измерение больших расстояний

- считывание информации

- хирургическая техника

- сварка и резка материалов

- управляемая термоядерная реакция

- топография

- голография

ДОБАВИТЬ ПРО МАЗЕРЫ и ПАЗЕРЫ