Что такое вынужденное излучение атомов какими свойствами оно обладает

    1). Вынужденное излучение распространяется строго в том же направлении, что и излучение, его вызвавшее.

    2). Фаза волны вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны.

    3). Вынужденное излучение линейно поляризовано, с той же плоскостью поляризации , что и падающее излучение.

    Т.о. вынужденное излучение при распространении в веществе отличается от спонтанного излучения ничтожно малой расходимостью пучка, а также когерентностью и линейной поляризацией волны.

Среды с инверсной заселённостью энергетических

Уровней

    В соответствии с законом Бугера

I(X) = IO . exp(- μx) , где

    I (X) – интенсивность излучения в веществе на глубине х > 0;

    IO – интенсивность излучения на входе в слой вещества;

    μ – коэффициент поглощения вещества.

    Для сред, поглощающих излучение, коэффициент μ положителен, но существует возможность создавать среды, усиливающие вынужденное излучение, т.е. с отрицательным коэффициентом μ .

    Такие среды должны иметь инверсную заселённость энергетических уровней, т.е. число атомов в возбуждённом состоянии в среде превышает число атомов в основном состоянии.  На пути фотонов в этом случае чаще встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии. Поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще чем их поглощение.

 При прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной заселённостью уровней поток света не ослабляется, а усиливается.

    В обычном равновесном состоянии вещества всегда N1 > N2 . Такое состояние вещества называется состоянием с  нормальной заселённостью энергетических уровней.

    Для создания активной среды с инверсной заселённостью энергетических уровней необходимы специальные условия, обеспечивающие дополнительную генерацию возбуждённых атомов.

Квантовые генераторы

    В первом приборе квантовой электроники – молекулярном генераторе активной средой являлся пучок молекул аммиака NН3 , из которого с помощью сложного квадрупольного конденсатора выводились молекулы с меньшей энергией, а обогащённый возбуждёнными молекулами пучок представлял собой активную среду. В объёмном резонаторе, взаимодействуя с молекулярным пучком, вынужденное излучение частотой ν = 24840 МГц  усиливалось.

     Молекулярные квантовые генераторы такого типа, работающие в СВЧ диапазоне, получили название мазеров. Они применяются в радиолокаторах,

радиотелескопах, линиях космической связи, в устройствах для измерения частоты колебаний и промежутков времени с высокой точностью.

    В 1960 г. был создан оптический квантовый генератор, получивший название лазер.

    Обычно в возбуждённом состоянии атомы находятся лишь 10-9 – 10-7с. Однако некоторые атомы имеют возбуждённые состояния, в которых они могут находиться довольно длительное время, например, 10-3с. Такие состояния называются  метастабильными.

    Процесс перевода среды в инверсное состояние, необходимое для работы ОКГ, называется

 накачкой усиливающей среды.

Практически накачка осуществляется по

трёхуровневой схеме.

В первом лазере, работающем по трёхуровневой схеме был генератор с рубиновым кристаллом в качестве усиливающей среды ( Al2O3 c  примесью Cr2O3 ). Активным веществом служили ионы Cr3+.

Ближайшими к основному уровню С в Cr3+ являются две широкие энергетические зоны  А и двойной метастабильный уровень В.

    Интенсивное облучение рубина зелёным светом мощной импульсной лампы накачки, наполненной неоном и криптоном переводит ионы хрома на уровни зоны А, откуда происходят безизлучательные переходы на уровни В. Избыток энергии передаётся кристаллической решётке рубина. В результате создаётся инверсная заселённость ионами хрома уровней В и оптический квантовый генератор работает на двух линиях красного света λ = 692,7 нм и λ = 694,3 нм , соответствующих переходу ионов хрома с уровней В на уровень С .

    Лавинообразное нарастание интенсивности в активной среде означает, что такая среда действует как  усилитель электромагнитных волн.

    Эффект усиления света в ОКГ увеличивается при многократном прохождении света через один и тот же слой усиливающей среды.

    Фотон, движущийся параллельно оси активной среды 1 , рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины (~8%) пройдёт через полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть (92%) отразится и будет нарастать в активной среде.  Часть лавины фотонов, дошедших до сплошного зеркала 2 , поглотится в нём, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный затравочный фотон. Многократно усиленный поток фотонов, вышедший из ОКГ сквозь полупрозрачное зеркало 3 , создаёт  пучок света большой интенсивности, остро направленный, с малым расхождением.

    Опыт показывает, что генерация света возникает только при определённой длине резонатора ( расстоянии между зеркалами ) кратному целому числу полуволн

.

    В этом случае на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т.е. в резонаторе образуется стоячая волна.

    Мощность светового излучения импульсного лазера (время высвечивания 10-8 – 10-10с ) может быть более 109Вт т.е. превышать мощность крупной электростанции.

ВОПРОСЫ К РУБЕЖНОМУ КОНТРОЛЮ

1. Законы теплового излучения:

1.1 Кирхгофа;

1.2 Вина;

Стефана-Больцмана.

2. Квантовые свойства излучения:

2.1 Гипотеза Планка;

2.2 Формула Планка;

2.3 Вывод законов Вина и Стефана-Больцмана из формулы Планка;

2.4 Фотоэффект (законы Столетова и уравнение Эйнштейна);

2.5 Эффект Комптона;

Если атом находится в основном состянии , то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние . Переходя из возбужденного состояния в состояние , атом испускает электромагнитное излучение частотой

Различают спонтанное (самопроизвольное) излучение, происходящее независимо от того, действует на излучающую систему внешнее излучение или нет, и вынужденное (индуцированное) излучение, вызываемое внешним излучением той же частоты.

Вынужденное (индуцированное) излучение – испускание фотонов частоты возбужденными атомами, молекулами и другими квантовыми системами под действием фотонов (внешнего излучения) такой же частоты. Вынужденное излучение происходит в результате квантового перехода с более высокого уровня энергии ℰiна более низкий ℰk:

ℰi ─ ℰk= ,

где ─ постоянная Планка. Испущенное вынужденное излучение совпадает с вынуждающим не только по частоте, но и по направлению распространения, поляризации и фазе. Понятие о вынужденном излучении введено А.Эйнштейном в 1916 г. В случае отсутствия термодинамического равновесия при инверсии населённостей для уровней энергии ℰiи ℰk (когда населённость верхнего уровня ℰiбольше населённости нижнего уровня ℰk) число процессов вынужденного излучения преобладает над числом процессов поглощения и интенсивность излучения частоты (ℰi – ℰk)/ будет возрастать. На этом принципе основано действие генераторов монохроматического излучения в оптической и микроволновой областях спектра – лазеров и мазеров.

Инверсия населённостей [от лат. inversio ‒ переворачивание, перестановка] – неравновесное состояние вещества, при котором число атомов в возбужденных состояниях больше, чем их число в основном состоянии. Инверсия населённостей – необходимое условие генерации и усиления электромагнитных колебаний во всех устройствах квантовой электроники.

Вынужденное излучение является основой квантовой электроники – области физики, изучающей методы усиления, генерации и преобразования частоты электромагнитных колебаний и волн. Предложение об использовании вынужденного излучения для усиления света было сделано В.А.Фабрикантом в 1940 г. В 1954 г. вынужденное излучение было использовано для усиления электромагнитных волн в микроволновом диапазоне. Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым (СССР) и независимо от них Ч.Таунсом (США) был создан квантовый генератор на молекулах аммиака. Устройства этого типа получили название мазеров. Мазер[Maser – аббревиатура от английских слов: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление микроволн при помощи индуцированного излучения] – квантовые генераторы и усилители, работающие в радиодиапазоне. В 1955 г. Н.Г.Басов и А.М.Прохоров предложили меод достижения инверсии населенностей при помощи электромагнитной накачки. На этой основе в 1960 г. Т.Мейман (США) создал твердотельный лазер на кристалле рубина, работающий в оптическом диапазоне.

Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура от англ.: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света вынужденным излучением) – устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. В основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания фотонов возбуждёнными квантовыми системами – атомами, молекулами, жидкостями и твёрдыми телами. Лазер состоит из трёх основных компонентов:1) активная среда, в которой создаются состояния с инверсией населённостей за счёт поглощения энергии от какого-либо источника; 2) устройство, поставляющее энергию для создания инверсии в активной среде и переработки её в когерентное излучение, – система накачки; 3) оптический резонатор – устройство, формирующее выходящий световой пучок и выводящее в пространство направленный пучок фотонов. Различают следующие типы лазеров: твердотельные, электроразрядные, полупроводниковые, N2 – CO2 и CO – лазеры, аргоновые, эксимерные, лазеры на красителях, химические, газодинамические, лазеры на свободных электронах, гамма-лазеры, рентгеновские, лазеры с ядерной накачкой и др.

Рассмотрим принцип работы твердотельного лазера по трехуровневой схеме. Активная среда – кристалл рубина, представляющего собой оксид алюминия , в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Al замещены трехвалентными иона хрома.

При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной ксеноновой лампы, атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3. Далее осуществляются либо спонтанные переходы 3-1, либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2. На 2 уровне возникает среда с инверсной населенностью.

Фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2-1, в результате чего появится лавина вторичных фотонов, однако спонтанные переходы носят случайный характер и фотоны распространяются в разных направлениях, и поэтому вторичные фотоны тоже будут распространяться по-разному.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. В простейшем случае им могут служить пара обращенных друг к другу зеркал, между которыми помещается активная среда. Одно из зеркал полупрозрачно, от другого полностью отражается свет. Фотоны, направление движения которых образуют малые углы с осью рубинового стержня, будут испытывать многократные отражения от торцов образца.

Каскады фотонов в направлении оси образца получают интенсивное развитие, фотоны, испущенные в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Когда пучок фотонов становится достаточно интенсивным, он выходит через полупрозрачный торец кристалла. Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (несколько импульсов в минуту).

В 1960 г. был создан газовый лазер на смеси гелия и неона (А.Джаван), в котором инверсия населенностей атомов неона достигалась передачей им энергии от атомов гелия, возбуждаемых ударами электронов в газовом разряде. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры, в которых накачка осуществляется инжекцией через гетеропереход. Они могут работать в непрерывном и импульсном режимах.

Излучение лазеров отличается временной и пространственной когерентностью, строгой монохроматичностью, большой мощностью, узостью пучка.

Лазерная технология – совокупность приемов и способов обработки материалов и изделий с использованием лазеров. Применяются твердотельные и газовые лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах. Основные операции связаны с тепловым действием лазерного излучения. Преимущества лазерных технологий – высокая локальность, кратковременность воздействия, малая зона термического влияния, возможность ведения технологического процесса в любых прозрачных средах и внутри герметически закрытых объемов. Лазеры используются для сверления отверстий, резки и скрайбирования (нанесение рисунка на поверхность пластины полупроводника лазерным лучом), закалки, сварки, гравировки, изготовления и фигурной обработки тонких пленок и др.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Почему тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр, а характеристическое – линейчатый?

2. Что называется спонтанным излучением? вынужденным излучением?

3. Каковы свойства лазерного излучения?

Литературные источники:

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

• 1 Введение. Теория Эйнштейна
• 2 Связь между коэффициентами
• 3 Свойства вынужденного испускания
• 4 Применение
• 5 Последние открытия
• 6 См. также
• 7 Литература

Введение. Теория Эйнштейна

Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: и где  — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания,  — спектральная плотность излучения.

Число переходов с поглощением света выражается как

с испусканием света даётся выражением:

где  — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а  — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света при переходах должно равняться числу квантов испущенных в обратных переходах

Связь между коэффициентами

Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью получаемой из формулы Планка:

Так как мы рассматриваем термодинамическое равновесие, то Используя уравнения (1) и (2), находим для состояния равновесия:

откуда:

При термодинамическом равновесии распределение частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана:

где и  — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.

Итак, сравнивая (4) и (5) и принимая во внимание, что получим:

Так как при спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то нам следует положить знаменатель равным нулю, откуда имеем:

Далее, сопоставив (3) и (6), легко получить:

Последние два соотношения справедливы для любых комбинаций уровней энергии. Их справедливость сохраняется и при отсутствии равновесия, так как определяются только характеристикой систем и не зависят от температуры.

Свойства вынужденного испускания

По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного.

• Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток распространяется в том же направлении, что и первоначальный возбуждающий поток.
• Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны.
• Вынужденный поток когерентен возбуждающему.

Применение

На вынужденном излучении основан принцип работы квантовых усилителей, лазеров и мазеров. В рабочем теле лазера путём накачки создаётся избыточное (по сравнению с термодинамическим ожиданием) количество атомов в верхнем энергетическом состоянии. Рабочее тело газового лазера находится в резонаторе (в простейшем случае — пара зеркал), создающем условия для накапливания фотонов с определённым направлением импульса. Первоначальные фотоны возникают за счёт спонтанного излучения, затем их поток лавинообразно усиливается благодаря вынужденному излучению. Лазеры обычно используются для генерации излучения, тогда как мазеры, работающие в области радиочастот, применяются также и для усиления.

Последние открытия

Британские ученые смогли замедлить испускание фотона при помощи «побочных продуктов», остающихся при изготовлении квантовых точек. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Ее основные положения приведены в пресс-релизе Университета Ворвика, сотрудники которого принимали участие в исследовании.

В своей работе физики «замедляли» свет, продлевая время жизни экситона. Экситон представляет собой квазичастицу, возникающую при выбивании электрона фотоном с его энергетического уровня на более высокий (говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние). Электрон и образовавшаяся на его месте «дырка» оказываются связаны друг с другом посредством зарядовых взаимодействий. Когда электрон возвращается на прежний энергетический уровень, он занимает место «дырки», а выбивший его фотон испускается системой.

Экситоны могут иметь различную природу. В частности, пару электрон-«дырка» может содержать кольцеобразный фрагмент материала, образовавшийся при производстве квантовых точек — изолированных нанообъектов, свойства которых заметно отличаются от свойств более крупных кусков такого же состава.

Авторы работы показали, что воздействие на такой квантовый бублик определенной комбинацией электрических и магнитных полей способно существенно замедлить скорость возвращения электрона на место «дырки» и испускания фотона.

Авторы работы считают, что у разработанной ими технологии большое будущее. Например, задержка испускания света может помочь в создании компьютеров, в которых фотоны используются для передачи информации.

См. также

• Лазер
• Мазер
• Квантовый генератор

Литература

А. Л. Микаэлян, М. Л. Тер-Микаелян Ю. Г. Турков. «Оптические генераторы на твёрдом теле». М.: Советское радио, 1967.

Wikimedia Foundation.
2010.