2. 3. Люминесценция. Спонтанное и вынужденное излучения.

Наибольшее распространение получили люминесцентные лампы с возбуждением свечения люминофоров излучением паров ртути. Такие лампы представляют собой обычные ртутные лампы с горячими электродами, стенки которых покрыты изнутри слоем светосостава (люминофором). Люминофор подбирают таким образом, чтобы он поглощал ультрафиолетовое излучение паров ртути и трансформировал его в излучение желаемой области спектра. Из люминесцентных ламп особый интерес представляют те, которые дают равномерное распределение энергии по спектру. Из существующих в настоящее время ламп этой особенностью обладают «люминесцентные лампы дневного света».

Люминесценция, как физическое явление, известна свыше 70 лет. Примером природной люминесценции является свечение светлячков, сырой древесины и.т. д. Под люминесценцией обычно понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. В зависимости от вида энергии, возбуждающей люминесценцию, различают фото-, электро- и другие виды люминесценции. По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую люминесценцию) и фосфоресценцию (длительная люминесценция). По механизму элементарных процессов различают спонтанную и вынужденную (стимулированную) люминесценцию. Люминесцировать могут твёрдые, жидкие и газообразные тела; основное условие – наличие дискретного спектра. Вещества с непрерывным энергетическим спектром (например, металлы в конденсированном состоянии) не люминесцируют, так как в них энергия возбуждения непрерывным образом переходит в теплоту. Для возникновения люминесценции вероятность излучательных переходов должна превышать вероятность безизлучательных переходов.

При возбуждении люминесценции атом, поглощая энергию, переходит с основного уровня энергии 1 (рис. 6) на возбуждённый уровень 3. При взаимодействии с окружающими атомами возбуждённый атом может передать им часть энергии и перейти на уровень 2, при излучательном переходе с которого и происходит люминесценция, называемая спонтанной.

Рис. 6. Схема квантовых переходов при процессе люминесценции.

1-основной уровень энергии, 2-уровень излучения,

3-уровень возбуждения, 4-метастабильный уровень.

Пунктирными линиями показаны безизлучательные переходы.

Как правило, уровень 2 лежит ниже уровня 3 , часть энергии при возбуждении теряется на тепло, а длина волны испущенного света больше, чем поглощённого (стоксов люминесценция). Возможны и процессы, когда излучающий атом получает дополнительную энергию от других атомов, тогда испущенный квант может иметь меньшую длину волны (антистоксова люминесценция). В некоторых случаях атом, прежде чем перейти на уровень излучения 2, оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4 и для перехода на уровень 2 ему необходимо сообщить дополнительную энергию. Люминесценция, возникающая при таких процессах, называется вынужденной или стимулированной.

Спонтанное излучение некогерентно. В этом случае атомы источника излучают свет независимо друг от друга. Фазы волн, испускаемых различными атомами, их поляризация и направления распространения никак не связаны между собой. Обычные источники излучения – пламя, лампы накаливания, газоразрядные трубки, люминесцентные трубки – излучают некогерентно. Испускаемый свет характеризуется большей или меньшей степенью беспорядка. Если заимствовать терминологию из радиотехники, то можно сказать, что указанные источники света генерируют шумы, пригодные только для освещения, грубой сигнализации, фотографирования и пр., но не для передачи речи, телевидения и т. д., осуществляющихся посредством радиоволн, излучаемых радиостанциями.

Однако можно создать и когерентно излучающие источники света, в которых бы различные атомы излучали электромагнитные волны согласованно, подобно радиостанциям, т. е. с одинаковыми частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения. Такие источники излучения называются оптическими квантовыми генераторами или лазерами.