Вынужденное излучение

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 ℰ_i на более низкий ℰ_k:

ℰ_i ─ ℰ_k= ,

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 ℰ_i и ℰ_k (когда населённость верхнего уровня ℰ_i больше населённости нижнего уровня ℰ_k) число процессов вынужденного излучения преобладает над числом процессов поглощения и интенсивность излучения частоты (ℰ_i – ℰ_k)/ 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.