Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучения

Если атом находится в основном состоянии , то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в воз­бужденное состояние (рис. 1 а), приводящий к поглощению излучения. Вероят­ность подобных переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Рис. 1

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромаг­нитного излучения (испуская фотон с энергией h=E₂–Е₁). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воз­действий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис. 1, б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше с реднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.

Если на атом, находящийся в возбуж­денном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей усло­вию hv=E₂–E₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hv=E₂–E₁ (рис. 1, в). При подобном переходе происходит излучение атомом фотона, дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызыва­ющий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь точной их копией.

Принцип работы оптического квантового генератора.

Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источ­никах излучения — оптических квантовых генераторах, или лазерах. Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделя­ющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические,электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированнойдобротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами^[12]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ - наиболее распространённый класс газовых лазеров, в к-рых для формирования активной среды используются электрич. разряды в газах. При переходе к давлениям газа порядка атмосферного и выше (необходимого для повышения мощности Г. л.) появляющиеся неустойчивости разряда делают активную среду неоднородной и непригодной для возбуждения генерации. Для повышения устойчивости разряда используют предионизацию разрядного объёма пучком заряж. частиц, вспомогат. разрядом, коротковолновым (оптич. или рентг.) излучением. В Г. л. высокого давления часто применяют поперечный разряд обычно с предионизацией (ТЕА-лазеры, от англ. transverse excitation atmospheric).

Газоразрядные лазеры на атомных переходах Возбуждение электронным ударом позволяет получать непрерывную и импульсную генерацию на большом числе квантовых переходов разл. атомов в видимой части спектра (в основном атомов инертных газов) и гл. обр. в ИК-области. Прямым электронным ударом наиб. эффективно возбуждаются уровни, связанные с осн. состоянием атома разрешёнными переходами. Непрерывная инверсия населённости рабочих уровней в трёхуровневой системе в большинстве случаев образуется за счёт опустошения (распада) нижнего рабочего уровня спонтанным излучением (см. Лазер ).Мощность и кпд Г. л. этого типа невелики, но они просты в изготовлении и эксплуатации. Для их возбуждения используют тлеющий разряд или высокочастотный разряд. На ряде линий достигается высокий коэф. усиления (напр., ~1 см^-1 на  =3,51 мкм). Пример - Г. л. на переходах атома Xe.

Рис. 1. Схема уровней атома Cu, участвующих в генерации.

В импульсном режиме наиб. практич. интерес представляет генерация на т. н. самоограниченных переходах, ниж. уровни к-рых метастабильны. Длительность существования инверсии населённости на таких переходах ограничена накоплением частиц на ниж. уровне; она не больше времени жизни частиц на верхнем рабочем уровне (рис. 1; обозначения уровней см. в ст. Атомные спектры). Наиб. мощность и эффективность генерации достигнута на переходах с первого резонансного уровня, т. к. он наиб. эффективно заселяется электронами. На самоограниченных переходах ряда атомов (Cu, Ba, Mn, Pb, Au, Eu и др.) получена генерация со ср. мощностью >1 Вт при относительно высоком кпд 0,1-1%. Эти Г. л. обычно работают с высокой частотой повторения импульсов (5-20 кГц) и обладают высоким усилением. Наилучшие характеристики имеют Г.л. на парах Cu ( =510,6; 578,2 нм), ср. мощность генерации к-рых приближается к 100 Вт при кпд ~1%.