1.1. Спонтанное и вынужденное излучение; поглощение

Квантовуюэлектронику можио определить как раздел электро­ники, в котором фундаментальную роль играют явления кванто­вого характера. Настоящая книга посвящена рассмотрению частного аспекта квантовой электроники, а именно описанию физических принципов действия лазеров и их характеристик. Прежде чем заняться детальным обсуждением предмета, целе­сообразно уделить некоторое внимание элементарному рассмот­рению идей, на которых основаны лазеры,

В лазере используются три фундаментальных явления, про­исходящих при взаимодействии электромагнитных волн с ве­ществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного из­лучения и процесс поглощения.

1.1.1. Спонтанное излучение (рис. L.Lf а)

Рассмотрим в некоторой среде два энергетических уровня 1 и 2 с энергиями Е\ и £2 (Е\ < £2)- В последующем рассмот­рении это могут быть любые два уровня из неограниченного набора уровней, свойственных данной среде. Однако удобно принять уровень 1 за основной. Предположим, что атом (или молекула) вещества находится первоначально в состоянии, со­ответствующем уровню 2. Поскольку Е₂ > Е_и атом будет стре­миться перейти па уровень 1. Следовательно, из атома должна выделиться соответствующая разность энергий Е₂ — E_t. Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, про­цесс называют спонтанным излучением. При этом частота v излу­ченной волны определяется формулой (полученной Планком)

v = {Е₂ — Е_{)1К (1 Л)

где h - постоянная Планка. Таким образом, спонтанное излу­чение характеризуется испусканием фотона с энергией hv = = Е2 — Е\ при переходе атома с уровня 2 на уровень 1 (рис. 1.1, а). Заметим, что спонтанное излучение только один из двух возможных путей перехода атома из одного состояния в другое. Переход может происходить также и безызлучательным путем. В этом случае избыток энергии £2 — Е_х выделяется в ка­кой-либо иной форме (например, разность энергии может пе­рейти в кинетическую энергию окружающих молекул).

Вероятность спонтанного излучения можно определить сле­дующим образом. Предположим, что в момент времени t на уровне 2 находятся N2 атомов (в единице объема). Скорость перехода (dN₂/dt) _Спон_Т этих атомов вследствие спонтанного из­лучения на нижний уровень, очевидно, пропорциональна ЛГ₂. Следовательно, можно написать

^{шм^—'т. 0.2)}

Множитель А представляет собой вероятность спонтанного излу­чения и называется коэффициентом Эйнштейна А (выражение

	flv-£2-£,
	hv
а

hv ЛЛ/Ч

_hv

^л/v*

hv

1

_hv

_•ЛЛЛ*

б

Рис. 1,1. Схематическое представление трех процессов, а — спонтанное из­лучение; б—вынужденное излучение; в — поглощение.

для А впервые было получено Энштейном из термодинамиче­ских соображений). Величину т_Спсжт = 1/Л называют спонтан­ным временем жизни. Численное значение величины А (и Тспонт) зависит от конкретного перехода, участвующего в излучении.