Элементы современной физики атомов и молекул_1

Вынужденные (индуцированные) переходы

происходят под внешним воздействием (стимулируется (индуцируется) излучением, падающим на возбужденный атом) и сопровождаются испусканием нескольких фотонов.

Свойства вынужденного излучения:

1. Вынужденное излучение распространяется строго в том же направлении, что и излучение, его вызвавшее и характеризуется малым расхождением светового пучка.

2. Фаза волны вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны (излучение когерентно и монохроматично).

3. Вынужденное излучение линейно поляризовано с той же плоскостью поляризации, что и падающее излучение.

4. Большая интенсивность излучения.

Среда может усиливать вынужденное излучение, но такая активная среда должна иметь инверсную заселенность энергетических уровней.

нестандартной заселенности, когда в среде число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в основном состоянии.

Направленный пучок вынужденного излучения встречает на пути распространения атомы вещества.

Если такой атом находится в основном состоянии, то он может поглотить квант энергии излучения hν.

Если же атом находится в возбужденном состоянии, то под действием падающего излучения он может вынужденно испустить еще один квант излучения, увеличивая энергию распространяющегося в веществе излучения на hν.

МАЗЕР

Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения) давал излучение в радиодиапазоне

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор)

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-

усиление света с помощью вынужденного излучения

Рубиновый лазер λ=594,3 нм Молекулярные лазеры λ=9,4 мкм и 10,6 мкм

Составные части лазера:

1.Рабочее тело

2.Система накачки

3.Резонатор

Классификация лазеров

По типу активной среды лазеры бывают:

-твердотельные,

-газовые,

-жидкостные.

По методу накачки:

-оптические,

-тепловые,

-химические,

-электроионизационные.

По режиму генерации: -непрерывный и - импульсный.

Для создания инверсии заселенностей уровней в лазерах наиболее часто используется метод трех уровней.

Рассмотрим суть этого метода на примере рубинового

лазера.

Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3, должен быть метастабильным уровнем. Это означает, что переход 2→1 в такой системе запрещен законами квантовой механики. Этот запрет связан с нарушением правил отбора квантовых чисел для такого перехода и вероятность такого перехода очень мала.

Время жизни атома в метастабильном состоянии 10-3с превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии 10-8с. Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией Е2.

Поэтому на достаточно большое (с точки зрения атомных процессов) время удается создать инверсную заселенность уровней 1 и 2.

Процесс сообщения рабочему телу лазера для перевода атомов в возбужденное состояние называют накачкой.

Во время накачки (с помощью ксеноновой лампы Л, работающей в импульсном режиме) атомы хрома, поглощая излучение, переходят в возбужденное состояние с энергией Е3.(переход 1→3). В этом состоянии атом будет недолго, за это время атомы хрома переходят на более низкий метастабильный энергетический уровень с энергией Е2.

Такой переход 3→2 безизлучательный (без испускания фотона), а избыток энергии при этом передается от атома хрома к кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается.

Метастабильность уровня 2 обеспечивает на некоторое время инверсию заселенностей уровней 1 и 2. На это время рубиновый стержень превращается в активную среду, которая может усиливать вынужденное излучение.

Если в результате спонтанного перехода вблизи левого торца стержня рождается фотон с такой длиной волны, то, взаимодействуя с атомами хрома, он индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный. Процесс рождения вынужденных фотонов при распространении в рубине излучения носит лавинообразный характер.

Для того, чтобы такой оптический усилитель превратить в оптический генератор когерентного лазерного излучения, необходимо усиленный пучок излучения снова направить в активную среду. Это обеспечивает оптический резонатор, состоящий из двух строго параллельных плоских зеркал З1 и З11, расположенных вблизи торцов рубинового стержня.

После многократного отражения от зеркал и усиления лазерный пучок становится достаточно интенсивным и получает возможность выхода через полупрозрачное зеркало (З11). Затем следует новая вспышка лампы накачки и процесс повторяется.