Физические основы работы ОКГ. Спонтанное и индуцированное излучение.

В основе работы лазера лежит взаимодействие излучения с веществом.

Спонтанное излучение.

Рис.1. - основное состояние атом вещества, - энергия возбужденного состояния.

Пусть на вещество упал квант света с энергией . Он переведет атом из состояния в состояние (переход ). Квант света при этом поглощается.

В возбужденном состоянии атом может находиться с. По прошествии этого времени атом теряет энергию. При этом имеются две возможности:

1. возбужденный атом отдает свою излишнюю энергию другому атому, другой третьему. Колебания постепенно затухают. Поглощенная энергия переходит в тепло. В итоге происходит переход первого атома и других в основное состояние без излучения кванта света. Это безизлучательный переход (переход ).
2. атомы переходят в основное состояние, излучив квант света (переход ). Это излучение спонтанно. Оно обладает рядом свойств. Излучение немонохроматично. Разные атомы излучают в разных фазах. Излучение некогерентно. Направление движения фотонов разное. Поляризация произвольная. Между процессами типа - поглощение и - излучение нет равновесия. Поглощение преобладает над излучением (из-за наличия безизлучательных переходов).

По закону Бугера:

, ,

где - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны и свойств вещества.

Индуцированное излучение.

Рис.2.

Атом находится в состоянии . Эйнштейн показал, что если в возбужденном состоянии на него падает фотон с энергией , то атом перейдет в состояние , излучив фотон с энергией . Фотон, который перевел атом в это состояние, тоже продолжает двигаться. То есть вместо одного фотона, появляется два. Произошло усиление излучения. Это так называемое вынужденное или индуцированное излучение.

, , так как .

Среда, в которой происходит усиление излучения, называется средой с отрицательным показателем поглощения.

Свойства индуцированного излучения.

1. Частота фотонов одинакова
2. Фаза одинакова
3. Направление движения фотонов одинаково
4. Поляризация одинакова
5. Индуцированное излучение когерентно.

Этими уникальными свойствами обусловлено применение индуцированного излучения. Покажем, как получить это излучение на практике.