4.8.4. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.

Если атом находится в основном состоянии, то под действием внешнего излучения может осуществить вынужденный переход в возбужденное состояние.

Находясь в возбужденном состоянии, атом может самопроизвольно (спонтанно) без каких-либо внешних воздействий, перейти в основное состояние, отдавая избыточную энергию виде кванта электромагнитного излучения. Процесс излучения света возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий получил название спонтанного излучения.

В 1916 году А.Эйнштейн для объяснения равновесного характера теплового излучения предположил, что кроме спонтанного, должен существовать и качественно иной характер излучения. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей равенству , то возникает вынужденный переход в основное состояние с излучением фотона той же энергии. Возникающее в таких переходах излучение получило название вынужденного излучения. В процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона – первичный, вызывающий излучение, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичный фотон не отличается от первичного, являясь его точной копией.

В статистической физике известен принцип детального равновесия, согласно которому при термодинамическом равновесии каждому процессу в системе можно сопоставить обратный процесс, при этом скорость их протекания будет одинаковой.

Применяя этот принцип и закон сохранения энергии для излучения и поглощения энергии, в случае абсолютно черного тела А.Эйнштейн получил формулу Планка.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая на своем пути другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшее вынужденное излучение, и число фотонов растет лавинообразно.

В 1918 году А.Эйнштейн указал на возможность усиления света с помощью вынужденного излучения. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения превышало бы число актов поглощения. Для выполнения этого условия систему надо перевести в неравновесное состояние, при котором число атомов в возбужденном состоянии было больше, чем их число в основном состоянии. Процесс создания неравновесного состояния вещества называется накачкой.

Впервые на возможность получения сред, в которых может происходить усиление света за счет вынужденного излучения, в 1940 году указал Фабрикант, который вместе с сотрудниками в 1951 году изобрел способ усиления света за счет вынужденного излучения.

Практически усиление света осуществляется в принципиально новых источниках света – лазерах. Идея качественно нового принципа усиления света принадлежит Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таунсу которые в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

В основе работы лазера лежит так называемая трехуровневая схема (рис. 46). При накачке электроны из основного состояния переходят в возбужденное состояние 2. Из этого состояния без излучения энергии электроны переходят на м етастабильный уровень 3. Самопроизвольный переход запрещен правилами отбора и поэтому в этом состоянии электрон может находиться в течение достаточно большого промежутка времени до (сравните с при спонтанном излучении).

Это приводит к тому, что происходит накопление электронов на этом уровне. При достаточной мощности накачки на уровне 3 электронов будет гораздо больше, чем в основном состоянии.

Фотон с энергией , случайно появившейся в среде, вызывает множество актов вынужденного перехода , в результате чего зарождается лавина фотонов. Но эти фотоны разлетаются в различных направлениях.

Чтобы выделить определенное направление, в котором испускаются фотоны, используют оптический резонатор. В простейшем случае им служат два обращенных друг к другу зеркала на общей оптической оси. Для формирования пучка одно из них делается полупрозрачным.

В первых моделях лазеров в качестве активной среды использовался цилиндрический столбик из рубина, торцевые поверхности которого тщательно обрабатывались и серебрились.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

- высокая когерентность;

- строгая монохроматичность;

- большая мощность излучения;

- малый угол расхождения.

Необычные свойства лазерного излучения находят широкое применение в самых различных областях науки и техники.