8) Излучение и поглощение электромагнитных волн. Спонтанное и вынужденное излучение. Резонансное поглощение. Ширина спектральной линии. Коэффициенты Эйнштейна.
Поглощение. Если атом находится в основном состоянии, то под действием внешнего излучения может осуществиться переход в возбужденное состояние, приводящий к поглощению излучения.
Спонтанное излучение. Атом находясь в возбужденном состоянии, может спонтанно (без внешних воздействий) перейти в основное состояние, испуская фотон с энергией hν=E2-E1. Процесс испускания фотона – спонтанное излучение. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.
Вынужденное излучение. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hν=E2-E1, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние с излучением фотона той же энергии дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Таким образом в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный, испущенный атомом.
Ширина спектральных линий, интервал частот ν (или длин волн), характеризующий спектральные линии в спектрах оптических атомов, молекул и др. квантовых систем.
Ширина спектральных линий Dnki определяется суммой ширин уровней энергии Ek и Ei.
Вероятность перехода атома с уровня m на уровень n - Wmn. Вероятность спонтанного перехода постоянна для данной пары уровней и равна Wmn=Amn. Вероятность вынужденного перехода пропорциональна спектральной объемной плотности энергии w вынуждающего излучения с частотой ν=(Em-En)/h: Wmn=Bmn*w. Amn и Bmn – коэффициенты Энштена.
9) Квантовое усиление и генерация света. Инверсное состояние вещества (методы осуществления инверсии населенностей). Лазеры. Рубиновый и гелий-неоновый.
При
прохождении света через среду
осуществляется обмен квантами между
пучком света и атомами среды посредством
поглощения и испускания фотонов Пусть
свет частоты ν распространяется вдоль
оси Z через среду, в которой концентрации
атомов на верхнем и нижнем уровнях равны
соответственно N1
и
NТогда
интенсивность пучка определяется
законом Бугера: I(z)= I0 eα z
z,
где - коэффициент Эйнштейна, V
-
скорость света в среде, I0=I(0).
В состоянии термодинамического равновесия
концентрации атомов, обладающих энергией
Ei,
описываются распределением Больцмана.
Поэтому населенность уровня с более
высокой энергией должна быть меньше,
чем с низкой. Поскольку E1>E0,
, то в этом случае N1<N0,
т.е. α<0 и плотность по тока по мере
прохождения света уменьшается. Случай
α<0 соответствует поглощению света
средой.
Если привести систему атомов в неравновесное состояние, когда N1>N0, то выполнится условие α>0, и среда будет не поглощать, а усиливать излучение. Состояние среды, при котором N1>N0, называется состоянием с инверсной населенностью. Привести систему в неравновесное состояние можно при помощи внешних воздействий, например светового пучка, вызывающего вынужденные переходы(для систем с колличеством уровней большим 2х).
Лазеры имеют целый ряд преимуществ по сравнению с не-лазерными источниками света. Излучение лазера когерентно, то есть фотоны, излучаемые лазером, идентичны по фазе, амплиту-де, направлению распространения. Поэтому оно монохроматич-но, может иметь очень высокую интенсивность и узкую направ-ленность.
Рубиновый лазер. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, в качестве источника накачки используется мощная лампа-вспышка с широким спектром излучения
Гелий-неоновый лазер. Инверсия населенности в гелий-неоновом лазере достигается при помощи газового разряда. В газовом разряде электроны ускоряются электрическим полем, сталкиваются с атомами и ионизуют их, вызывая появление вторичных электронов, которые в свою очередь также ускоряются, и т. д. Часть атомов при столкновениях не ионизуется, а возбуждается. При определенных условиях доля возбужденных атомов может оказаться столь вели-ка, что возникнет инверсия населенности.