§49Элементы квантовой электроники. Спонтанные и вынужденные излучения.

Электроны в атомах могут находиться только в энергетически квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е₁,Е₂,Е₃.

При переходе с одного энергетического уровня на другой может выделяться квант энергии. Если атом находится в основном состоянии один то под действием внешнего излучения может осуществляться вынужденный переход в состояние Е₂ приводящий к поглащению излучения.

Атом находясь в возбужденном состоянии E_i может спонтанно прийти в основное состояние с низшей энергией. Отдавая избыточную энергию в виде фотона. . Процесс испускания фотона возбужденным атомом без внешних воздействий называется спонтанным или самопроизвольным излучением. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то магнитное излучение не когерентно.

1916г. Эйнштейн постулировал «Что помимо поглащения и спонтанного излучения существует третий тип взаимодействия: «Если на атом находящейся в возбужденном состоянии два действует внешнее излучение с частотой , то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние один с излучением фотона с той же энергией»».

Такое излучение называется вынужденное или индуцированное. В этом виде излучения вовлечены два фотона: первичный-вызывающий испускание излучения возбужденным атомом; вторичный-испусканный самим атомом.

Вторичные фотоны неотречены от первичных. Вынужденное излучение строгокогерентно с вынужденным излучением.

Испущенные фотоны двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы вызывают другие вынужденные переходы, число электронов лавинообразно растут. Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение необходимо создать неравновестное состояние системы при котором число атомов в возбужденом состоянии было больше, чем в основном –состояние с инверсией населенностей. А процесс создания неравновестного состояния состояния вещества-Накачка. 1939г. Показал русский физик Фабрикант.

§50 Оптические квантовые генераторы (Лазеры)

Инверсное состояние среды практически осуществимо в оптических квантовых генераторах или лазерах.

Типы лазеров (по типу среды):

1. Твердотельные;

2. Газовые;

3. Жидкостные.

По методу накачки:

1. Оптические;

2. Химические;

3. Тепловой.

По режиму генерации:

1. Импульсный;

2. Непрерывный.

Лазер имеет:

1. Активная среда;

2. Система накачки – устройство для создания инверсий в активной среде;

3. Оптический резонатор – устройство выдающее в пространство изберательное направление пучки фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Первый твердотельный лазер – рубиновый лазер. .

Кристал Рубина – оксид Al=в кристалической решетки которого некоторые атомыAlзамещены Cr³⁺(0,03-0,05%) для оптической накачкеиспользуется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровень широкой полосы 3.

Время жизни атомов Cr 10^-7с. Поэтому осуществляемы е атомные переходы 3-1 (незначительны) либо безизлучательные переходы на уровень 2 (метастабильные) с передачей энергии решетки кристала Рубина. Преход 2-1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 Cr³⁺ на четыре порядка выше чем для состояния 3. Это приводит к наполнению атомов хрома на уровне 2. На уровне 2 возникает среда с инверсной заселенностью.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор (пара обращенных друг к другу зеркал параллельных и междуними размещается активная среда).

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность;

2. Строгая монохромность;

3. Большая точность потока энергии;

4. Очень малое расхождение в пучке.

Практическое применение:

Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой интерес. Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности(высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществить избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических связей, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро – в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и моделировать отдельные их звенья. Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

При обсуждении практических применения лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение(как правило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов(например, варку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов,, применение лазеров в медицине и т.д. Второе направление связывают с так называемым информативным применением лазеров – для передачи и обработки информации, для осуществления контроля измеренй.