Вынужденное излучение

До настоящего времени мы рассматривали процессы излучения электромагнитной энергии квантовыми системами (атомами, молекулами, ионами) при переходе на более низкий энергетический уровень, совершающийся самопроизвольно (спонтанно), то есть без внешнего воздействия. Спонтанным излучением, например, является тепловое излучение. Возможен, однако, и такой процесс, при котором возбужденные атомы (молекулы, ионы) излучают не самопроизвольно, а под влиянием внешнего электромагнитного поля, в частности, под действием падающего на них света. Этот процесс и

само излучение называют индуцированным или вынужденным излучением. Понятие о нем впервые ввел А.Эйнштейн, разрабатывая теорию излучения. Для объяснения теплового равновесия в системах многих частиц, излучающих и поглощающих электромагнитную энергию, необходимо предположить существование вынужденного излучения (наряду со спонтанным). Вынужденное излучение обладает замечательным свойством: оно неотличимо от вынуждающего (падающего на вещество, первичного) излучения, то есть совпадает с ним по частоте, фазе, поляризации и направлению. Иначе говоря, вы­нужденное излучение добавляет в первичное электромагнитное излучение точно такие же кванты, какие отнимает от последнего поглощение. Тогда закон Бугера, полученный для поглощения света, может быть записан для вынужденного излучения в виде

(4.13)

Возможность создания новой системы (среды с отрицательным поглощением), усиливающей проходящее через нее электромагнитное излучение, была обоснована в 1939 году В. А. Фабрикантом. Из выражения для коэффициента поглощения:

где v - частота излучения, h - постоянная Планка, В₁₂ - коэффициент Эйнштейна, q₁ и q₂ - статистические веса, N , и N - населенность уровней;можно сделать заключение, что для усиления веществом проходящего через него первичного электромагнитного излучения необходимо, чтобы из двух энергетических уровней (вещества) верхний уровень -2 был населен больше нижнего - 1, т.е. N > N . В обычных условиях термодинамического равновесия N > N₂. Состояние вещества, при котором N > N . является неравновесным и называется инверсным. Оно может быть получено при особых условиях.

В 1960 году были практически осуществлены источники света принципиально нового типа. Их отличительной особенностью является то, что они излучают когерентный свет, в то время как все известные до этого источники света дают хаотическое некогерентное излучение и являются с этой точки зрения генераторами «светового шума». За рубежом новые источники называют лазерами, в СССР — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) или генераторами когерентного света (ГКС).

В настоящее время ГКС осуществлены на твердых телах (в частности Аl₂Оз+Сr₂Оз - рубин), газах и жидкостях. Достоинством газовых ГКС являются высокая монохроматичность излучения, возможность работы в непрерывном режиме и сравнительная простота конструкции. Однако газовые ГКС из-за меньшей плотности атомов имеют значительно меньшую мощность, чем ГКС на твердых телах (рубине, активизированном стекле) и низкий КПД.

Первый действующий ГКС, работающий в непрерывном режиме, был осуществлен Джаваном на смеси гелия с добавкой неона. В последнее время удалось создать ГКС постоянного действия, работающие на колебательных переходах молекул СО₂, СО, Н₂О и другие. В этих генераторах удалось достигнуть КПД порядка нескольких процентов и мощностей порядка ста ватт»

В 1964 году были вручены Нобелевские премии по физике академикам А. М. Прохорову и Н. Г. Басову, а также американскому профессору Таунсу за разработку и создание ГКС.

ГКС открыли совершенно новые возможности получения когерентных световых пучков невиданно высокой интенсивности, монохроматичности, направленности и стабильности. В этих условиях напряженность электрического поля в световой волне может быть 10¹¹ В/м, достигая значения напряженности электрического поля, существующего внутри атома. Для сравнения приведем, что напряженность электрического поля у поверхности Земли в обычном состоянии равна 100 В/м, а во время грозы доходит до 10⁴ В/м. Указанные особенности излучения, создаваемого лазером, делает его исключительно перспективным прибором с широким фронтом использования во многих областях науки и практики. Лазерная техника, технология, новые направления научных исследований: нелинейная оптика, голография и другие уверенно входят в нашу жизнь.