6.1.1.9. Спонтанне та вимушене випромінювання. Підсилення світла. Лазер

Збуджені стани атома є нестійкими. Атом, що знаходиться в одному з них (наприклад, у стані n з енергією ), може сам собою перейти в один зі станів з меншою енергією, випускаючи фотон з енергією

. (6.1.38)

Такі переходи, що відбуваються без будь-якої зовнішньої дії, називають самочинними, або спонтанними.

"Час життя" атома в збудженому стані порядку 10^-8 с. Однак деякі збуджені стани можуть мати „час життя”, що в десятки або сотні тисяч разів перевищує вказане значення. Такі стани називають метастабільними.

На відміну від спонтанних природно називати вимушеними переходи атомів з одного енергетичного стану до іншого, які відбуваються під дією світла, що падає на речовину (рис. 6.1.7). Вимушені переходи може викликати тільки світло резонансної частоти, що визначається співвідношенням (6.1.38):

. (6.1.39)

Під дією світла резонансної частоти атом, що має енергію , може перейти в стан з більшою енергією, , поглинаючи при цьому фотон. Якщо ж атом мав енергію , то світло резонансної частоти "звалює" атом на нижчий енергетичний рівень. Атом при цьому випромінює фотон (з енергією, що визначається також співвідношенням (6.1.41)) додатково до того первинного фотона, який викликав вимушений перехід. Це додаткове випромінювання називають вимушеним, або індукованим. Істотно, що ймовірності вимушених переходів і строго однакові. Особливість вимушеного випромінювання полягає в тому, що випромінений у цьому разі фотон абсолютно не відрізняється від первинного фотона. Ейнштейн показав, що вимушене випромінювання і випромінювання, що викликало перехід за своїми властивостями є тотожними: їхні частоти, фази поляризації і напрямки розповсюдження збігаються. О тже, вимушене випромінювання і те, що його вимушує, когерентні.

Явище вимушеного випромінювання використовується для підсилення світла в оптичних квантових генераторах (ОКГ).

У системі атомів, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, поширення світла резонансної частоти супроводжується його послабленням. Розрахунки показують, що “заселеність” рівня зменшується зі збільшенням його енергії. Тому кожної миті число переходів “вгору” виявляється більшим від числа переходів “вниз”, тобто переходи типу , що відбуваються з поглинанням світла, переважають (речовина поглинає світло).

У деяких середовищах можна штучно створити умови, за яких заселеність рівня n (з енергією ) буде більшою, ніж рівня m. У цьому випадку кажуть, що має місце інверсія (обернення) заселеностей рівнів n та m. Такий розподіл атомів за енергетичними станами буде мати місце в середовищі, що називають інверсним, або активним. В активному середовищі поширення світла резонансної частоти супроводжується його підсиленням, тому що кожної миті число переходів “вниз” виявляється більшим від числа переходів “вгору”, тобто переважають переходи, що відбуваються з випусканням світла. Для збільшення ефекту підсилення активне середовище розміщують між двома дзеркалами, одне з них – напівпрозоре (рис. 6.1.8). Дзеркала (вони можуть мати різну форму –плоску, сферичну, параболічну) забезпечують багаторазове відбиття світла, отже і його багаторазове проходження через активне середовище.

Активне середовище підсилює світло, що проходить через нього, початок якому дає спонтанне випромінювання одного з атомів. Більшого підсилення досягаємо, коли кут малий, так що світло зазнає багатьох відбивань. Випромінювання виходить назовні через дзеркало 2. (рис. 6.1.8.).

Рис. 6.1.8. Схема підсилення світла: 1, 2 – плоско-паралельні дзеркала; дзеркало 2 - напівпрозоре.

Активне середовище може не тільки підсилювати світло, але і само здатне випромінювати без зовнішнього джерела (тобто бути генератором світлових квантів): фотон, що виникає спонтанно, викличе появу точно такого ж фотона, а далі їх число буде лавиноподібно зростати в міру розповсюдження через речовину. У символічній формі цей процес показано на рис. 6.1.9, де крапками зображено атоми, що заселяють верхній енергетичний рівень n.

ОКГ, або лазером називають прилад, в якому здійснюється генерація монохроматичних електромагнітних хвиль оптичного діапазону в результаті вимушеного (індукованого) випромінювання. Кожний лазер містить активне середовище, в яке накачується енергія для створення інверсії заселеностей, де і відбувається вимушене випромінювання. Різні типи лазерів відрізняються типами активного середовища і методами накачування.

В лабораторному практикумі (див. розд. 6.2, робота 6-1) розглянуто принцип дії конкретного ОКГ – гелій - неонового лазера. В загальних рисах охарактеризуємо тут принцип роботи такого лазера, бо багато в чому він подібний до роботи інших ОКГ, особливо газових. Активним елементом гелій - неонового лазера є газорозрядна трубка, в якій проходить електричне накачування лазера (накачуванням називають процес надання робочій речовині лазера енергії для переведення атомів у збуджений стан). У трубці створюється газорозрядна плазма, що складається з електронів та іонізованих атомів гелію та неону. В роботі наведено спрощену схему енергетичних рівнів гелію та неону. Розігнані електричним полем електрони зіштовхуються з атомами неону та гелію і збуджують їх. Показано роль метастабільних рівнів та створення інверсії заселеностей рівнів. Так, у трубці створюється активне середовище - сукупність збуджених атомів неону. Спонтанний перехід між двома рівнями деяких атомів неону призводить до лавиноподібної генерації фотонів з енергією 1,94 еВ. Їй відповідає довжина хвилі 632,8 нм (червона лінія неону). Отже, гелій є накопичувачем енергії збудження, а неон - джерелом вимушеного випромінювання.

Для того, щоб активне середовище стало генератором світлових хвиль, потрібен зворотний зв'язок. А саме, необхідно, щоб частина світла, яке випромінюється, весь час знаходилась у зоні активного середовища і викликала вимушене випромінювання все нових і нових атомів. Для цього активне середовище лазера розміщується між двома дзеркалами, повернутими одне до одного; одне з дзеркал непрозоре, друге - частково прозоре. Тоді промінь світла, багаторазово відбиваючись від дзеркал, буде проходити багато разів через активне середовище, підсилюючись кожного разу в результаті вимушених переходів атомів з вищого енергетичного рівня на нижчий.

Для електромагнітних хвиль система дзеркал є резонатором. Цей резонатор не тільки підсилює світло, але і забезпечує його сувору монохроматичність і гостру направленість лазерного променя.

Випромінювання лазера є когерентним. Його когерентність обумовлена тим, що вимушено випромінене світло є суворо узгодженим з вимушуючим світлом і не відрізняється від нього. Якщо на шляху лазерного пучка поставити дві паралельні щілини (які відстоять одна від одної, на скільки дозволяє ширина пучка), то можна спостерігати на екрані за щілинами сукупність інтерференційних смуг.

Гелій-неоновий лазер описаного типу працює в неперервному режимі, тому пучок його світла має невелику потужність – усього декілька міліват. Однак потужність випромінювання лазерів інших типів, що працюють у режимі коротких імпульсів, може досягати 10¹⁰ Вт і більше. Лазери широко використовуються в науці, техніці, медицині. Завдяки відкриттю лазера створено голографію (голографія–метод отримання об'ємних зображень).