Вынужденное излучение
До сих пор мы говорили только о спонтанных переходах атомов на более низкие энергетические уровни (с излучением фотонов) и вынужденных переходах под действием излучения на более высокие энергетические уровни (излучение и поглощение света веществом).
В 1918 г. Эйнштейн указал, что этих двух видов переходов недостаточно для объяснения существования равновесных состояний между излучением и веществом.
Это связано с тем, что вероятность спонтанных переходов определяется только внутренними свойствами атомов и не зависит от интенсивности падающего излучения. В то же время вероятность поглощательных, вынужденных, переходов зависит и от свойств атомов и от интенсивности падающего излучения.
Для возможности установления равновесия между излучением и излучающим телом при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование испускательных переходов, вероятность которых возрастает с увеличением интенсивности излучения. Излучение, соответствующее таким переходам, называется вынужденным или индуцированным.
Из термодинамических соображений Эйнштейн доказал, что вероятности вынужденных переходов как с поглощением, так и с излучением света должны быть равны.
Главная особенность вынужденного излучения состоит в том, что по частоте, фазе, поляризации и, направлению распространения вынуденное излучение в точности совпадает с вынуждающим излучением. Эта его особенность лежит в основе действия усилителей и генераторов света.
Лазеры
В 1939 г. Фабрикант впервые указал на возможность получения среды, в которой свет будет усиливаться.
В 1953 г. Басов и Прохоров в СССР и Таунс и Вебер в США создали первые молекулярные квантовые генераторы, работавшие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров (Microvave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
В 1960 г. Нейман в США создал первый Оптический Квантовый Генератор – лазер (Lighte….).
Как мы говорили, свет частоты 
, совпадающий с одной из частот 
атомов вещества, при прохождении через вещество может вызвать два процесса:
1. Вынужденные переходы 
с поглощением света;
2. Вынужденные переходы 
с излучением света.
Изменение интенсивности исходного пучка зависит от того, какой из этих двух процессов преобладает.
В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов описывается распределением Больцмана:
(36.22)
– полное количество атомов;
– число находится в соответствии с энергией 
.
Из этого распределения вытекает, что населенность (число атомов в данном состоянии) энергетического уровня с ростом энергии уменьшается. А значит, среда в состоянии термодинамического равновесия будет в основном поглощать энергию излучения. Вероятность того, что фотон встретит атом в состоянии с минимальной энергией намного больше, чем вероятность встретить атом в возбужденном состоянии, способный испустить фотон.
Для усиления падающей волны необходимо создать инверсную населенность, т.е. такое состояние, когда в состоянии с большей энергией 
находится большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией 
. Такое состояние называется неравновесным, вследствие того, что может быть реализовано только в результате некоторого воздействия на вещество. Такому состоянию можно приписать отрицательную температуру, поскольку для него
что может быть только при условии 
. Вещество в состоянии инверсной населенности подобно горке песка, которая перевернута и стоит на вершине.
Создание лазера стало возможным после разработки методов создания инверсной населенности.
В лазере Меймана рабочим телом (т.е. усиливающей свет средой) был цилиндр длиной 5 см и диаметром 1 см. Торцы цилиндра отполированы и покрыты слоем серебра: один – толстым, другой – пропускал 
падающего света.
Особенностью использовавшегося рубина было наличие в нем небольшого количества ионов 
, которые в 
замещают атомы алюминия.
Атомы хрома при поглощении света переходят в возбужденное состояние. В этом состоянии они способны отдать часть своей энергии кристаллической решетке и перейти в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому в метастабильном состоянии атом может находиться очень долго 
с. Это время в 
раз превышает время жизни в обычном возбужденном состоянии.
Вероятность спонтанного перехода из метастабильного состояния в основное, запрещенного правилами отбора, мала, но конечна. Вероятность вынужденного перехода значительно больше. Поэтому под действием фотонов с соответствующей длиной волны ионы хрома могут быстро перейти в основное состояние.
Рубин освещался импульсной ксеноновой лампой, свет которой поглощался атомами хрома и переводил их возбужденное состояние. Это обеспечивало создание инверсной населенности. Внешнее воздействие, обеспечивающее создание инверсной населенности называется накачкой. После создания инверсной населенности достаточно одного спонтанного перехода из состояния метастабильного состояния в основное, чтобы вызвать появление лавины фотонов в направлении первого фотона, поскольку излученный при этом фотон вызывает вынужденное излучение таких же фотонов. Зеркала на торцах кристалла обеспечивали создание выделенного в объеме кристалла направления. Фотоны, движущиеся вдоль оси кристалла, испытывают многократные отражения от этих зеркал. Поэтому путь их в кристалле оказывается большим, и они стимулируют новые переходы с излучением фотонов, движущихся вдоль оси кристалла. Фотоны испущенные в других направлениях вызывают появление быстро исчезающих лавин.
Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, излучая несколько импульсов в минуту, что объясняется сильным нагревом кристалла.
В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый гелий-неоновый лазер.
В 1963 г. – полупроводниковый.
Излучение лазера характеризуется:
1. Очень высокой монохроматичностью.
2. Большой временной и пространственной когерентностью.
3. Большой интенсивностью
4. Узостью пучка.
Дата добавления: 2016-02-11; просмотров: 1992;