2. Испускание и поглощение света. Инвертированная активная среда

4. Квантовые переходы

В основе действия квантового генератора лежит открытый А. Эйнштейном тип взаимодействия электромагнитного излучения с веществом — вынужденное испускание. В соответствии с планетарной моделью Э. Резерфорда атомы представляют собой квантово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам электронов. Начиная со второго элемента периодической системы Д. И. Менделеева, с атома гелия, на каждой заполненной электронной орбите (энергетическом уровне) имеется как минимум два электрона с противоположными спинами. На атомном уровне существует три типа взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

1. Поглощение света

П

Рисунок 3 Поглощение света

ервый тип взаимодействия — поглощение света — заключается в следующем. Атом находится в основном (спокойном, невозбужденном) состоянии. При этом электроны внешней орбиты находятся на ближнем от ядра расстоянии. При воздействии на данный атом светового потока (электромагнитного излучения оптического спектра) один из электронов с энергией может поглотить пролетающий фотон, квант энергии, и этот электрон перейдет на более удаленную от ядра орбиту. Произойдет акт поглощения света веществом (рис. 3), атом перейдет в электронно-возбужденное состояние, уровень его энергии повысится и станет равной . Число атомов, находящихся в электронно-возбужденном состоянии и обладающих энергией , называется населенностью энергетического уровня данного вещества.

Пусть - отнесённая к единице времени вероятность поглощения света. Она равна , число фотонов в единице объёма, имеющих энергию , – коэффициент , характеризующий рассматриваемый переход.

2. Спонтанное испускание света

В реальных условиях атом не может постоянно находиться в электронно-возбужденном состоянии, он стремится перейти в основное, отдавая в окружающую среду часть энергии в виде испускания при переходе фотона. При этом происходит акт с понтанного испускания, второй тип взаимодействия излучения с веществом (рис. 4), а электрон перейдет на ближнюю к ядру орбиту.

В

Рисунок 4 Спонтанное испускание света

ероятность спонтанного испускания фотона определяется только свойствами перехода её записывают в виде

Коэффициента А и В, входящие в вероятности процессов испускания и поглощения света, называют коэффициентами Эйнштейна. Они не зависят от внешних условий (температуры, давления и т. п.).

3. Вынужденное испускание света

П ри третьем типе взаимодействия (рис. 5) атом исходно находится в электронно-возбужденном состоянии.

П

Рисунок 5 Вынужденное испускание света

опадая под действие светового потока, фотоны которого обладают энергией, равной разнице энергии данного атома в возбужденном и в невозбужденном состоянии, этот атом может перейти в основное состояние, испустив соответственно фотон. Испущенный фотон по всем параметрам (энергия, направление движения и др.) будет идентичен фотону, который стимулировал переход. Этот процесс называется вынужденным испусканием, а действующий световой поток фотонов при этом усиливается.

Вероятность вынужденного испускания света, отнесённая к единице времени, есть .

Следовательно, если через вещество, атомы которого находятся в электронно-возбужденном состоянии пропустить световой поток определенной длины волны, энергия фотонов которой равна разнице энергетических уровней атомов данного вещества, то произойдет усиление светового потока в результате вынужденного испускания.

Однако, вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии), равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся в электронно-возбужденном состоянии. Для усиления света необходимо, чтобы в среде (веществе) было превышение населенности верхнего энергетического уровня ( ) над нижним ( ), т. е. следует создать инверсную заселенность. Процесс ее создания называется накачкой, а среда, в которой создана инверсная заселенность, называется активной.