Поглощение СВЕТА, спонтанное и вынужденное излучения

Согласно законам квантовой физики энергия электрона в атоме может иметь лишь определенный дискретный ряд значений: Е₁, Е₂,…,Е_n. Эти значения называются «уровнями энергии». Уровень с наименьшей энергией называется основным, другие уровни, с более высокой энергией – возбужденными.

При переходе атомного электрона с одного энергетического уровня на другой, атом может излучать или поглощать энергию. Эта энергия равна

hν_ik = E_i - E_k (1.12.1)

Между двумя энергетическими уровнями с энергией E_i и E_k возможны три типа оптических процессов (рис.1.18):

1) спонтанное излучение;

2) вынужденное излучение;

3) поглощение.

Дадим их краткое описание.

1. Спонтанное излучение. Пусть атом находится в одном из возбужденных состояний с энергией E_i . Возбужденное состояние является неустойчивым и спустя некоторое время τ =10^-8 с атом спонтанно перейдет в одно из состояний с меньшей энергией E_к с излучением фотона.

Спонтанные переходы являются случайными процессами, поэтому момент испускания фотона, его направление, поляризация также случайны. Излучение обычных источников света возникает за счет актов спонтанного испускания, поэтому оно некогерентно, немонохроматично, ненаправленно, неполяризованно.

2. Вынужденное излучение. Этот вид излучения был теоретически предсказан А.Эйнштейном.

Атом может перейти из возбужденного состояния E_i в состояние с меньшей энергией E_к не спонтанно, а под действием электромагнитного излучения. Частота излучения должна удовлетворять соотношению (1.12.1).

Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются вынужденными ( индуцированными).

Отметим особенности вынужденного испускания.

Фотон, излучаемый при вынужденном переходе, абсолютно неразличим с первичным фотоном, индуцировавшим этот переход. Оба фотона имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и направление движения.

Эффект вынужденного испускания используется в оптических квантовых генераторах (лазерах). Лазерное излучение является вынужденным излучением. Оно монохроматично, когерентно, направленно и поляризовано.

3. Переходы под действием излучения из состояния меньшей энергией E_k в состояние с большей энергией E_i при условии hν_ik = E_i - E_k соответствуют процессу резонансного поглощения фотонов. Этот процесс является обратным вынужденному излучению.

Лазеры

Квантовыми генераторами называются источники когерентного излучения, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Квантовые генераторы ультракоротких радиоволн называются мазерами. Квантовые генераторы, излучающие в оптическом диапазоне, называются лазерами или оптическими квантовыми генераторами. Термин «лазер» является аббревиатурой (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Рассмотрим принципы работы лазера.