Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Спонтанное и вынужденное излучение атомов

Атомы могут находиться в состояниях с дискретными значениями энергии E₁ , Е ₂, E₃..... Рассмотрим два из этих состо­яний 1 и 2 с энергиями Е₁ и Е₂> E₁ Под действием внешнего излучения атом, находящийся в основном состоянии 1, вы­нужден перейти в возбужденное состояние 2, поглощая внеш­нее излучение (см.рис.1).

Рис.1 Рис.2 Рис.3

Вероятность переходов пропорцио­нальна плотности излучения, вызывающего эти переходы. Атом из возбужденного состояния 2 может без внешнего воздействия самопроизвольно (спонтанно) перейти на более низкий энергетический уровень. В нашем случае это основное состояние. При этом в окружающее пространство отдается энергия hγ = Е₂ - E_l в виде электромагнитного излучения. Подоб­ный процесс испускания фотона возбужденной квантовой сис­темой (ионом, атомом, молекулой) называют спонтанным (или самопроизвольным) излучением(см.рис.2). Каждое состоя­ние характеризуется средним временем жизни атома в этом состоянии. Среднее время жизни атома в возбужденном состо­янии обратно пропорционально вероятности спонтанных пере­ходов. Последние взаимно не связаны, и поэтому спонтанное излучение некогерентно.

А. Эйнштейн в 1916 г. предположил, что если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 3, действует внешнее излучение с частотой то возникает вынужден­ный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излуче­нием фотона той же энергии hγ = Е₂ - E_l.. Однако излучение атомом этого фотона, называемого вторичным, происходит дополнительно к фотону, называемому первичным, создавше­му переход. Излучение, возникающее в описанном переходе, называют вынужденным (индуцированным) излучением (рис.3.). Вынужденное излучение строго когерентно с вынужда­ющим, то есть испущенный фотон неотличим от фотона, пада­ющего на атом.

Для развития процесса вынужденного излучения, когда вещество усиливает падающее на него излучение, необходи­мо создать неравновесное состояние вещества, при котором число атомов в возбужденных состояниях превышало бы чис­ло атомов в основном состоянии. Такие состояния называют состояниями с инверсией населенностей.

Перевод системы в состояние с инверсией населенностей называют накачкой. Ее можно осуществить оптическим, электрическим и другими способами.

Таким образом, в среде с инверсной населенностью вынуж­денное излучение превышает поглощаемое излучение. А это значит, что падающий пучок света при прохождении через такие среды, называемые активными, будет усиливаться по закону Бугера I = I₀е^-αх., где I_о и I — интенсивности излуче­ния на входе и выходе из вещества толщиной х, м; α — отри­цательный коэффициент поглощения, зависящий от длины вол­ны света, природы и состояния вещества. Активными средами могут быть газы и газовые смеси, кристаллы и стекла с приме­сями определенных ионов, жидкости и полупроводники.

Создание сред, в которых свет может усиливаться за счет вынужденного излучения, послужило основой для создания квантовой электроники — квантовых усилителей и кванто­вых генераторов.