5.6.Вынужденное излучение. Лазеры

Атомы могут излучать самопроизвольно (спонтанно), но процесс излучения может быть и вынужденным. В первом случае падающий фотон с энергией hвозбуждает атом, переводя электрон в состояние с более высокой энергией. Электрон возвращается в основное состояние и испускает фотон с энергиейh(рис. 5.4). В случае вынужденного излучения падающий фотон с энергиейhпопадает на атом, уже находящийся в возбужденном состоянии. Фотон стимулирует высвечивание. Возникают два фотона (рис. 5.5) с энергиейh, которые движутся в одном направлении и находятся в одной фазе. Таким образом, фотоны усиливают друг друга. Это является главной особенностью вынужденного

излучения. Каждый испущенный фотон может в свою очередь стимулировать испускание фотонов другими атомами, так что система в целом может почти разом излучить всю энергию возбуждения в виде сгустка фотонов, находящихся в фазе друг с другом. Различие спонтанного и вынужденного излучения заключается в том, что в первом случае фотоны излучаются в случайных направлениях с разными фазами. При вынужденном излучении фотоны испускаются почти одновременно и в одной фазе. При создании лазера решали две главные проблемы, во-первых, «накачать» энергию в систему атомов так, чтобы большое число атомов находилось в возбужденном состоянии, и, во-вторых, добиться того, чтобы большинство фотонов испускалось в одном направлении. Для решения этих задач весьма подходящим оказалось одно свойство кристаллов рубина. Энергетические уровни рубина представляют собой не тонкие линии, а довольно широкие полосы (рис. 5.6).

Белый свет от источника оптической накачки содержит большое число фотонов с энергиями внутри полос. Излучение накачки (стрелки, направленные вверх) возбуждает электрон в две энергетические полосыЕ₂иЕ₃. Затем происходит спонтанный переход в состояниеЕ₁. Лазерным будет переходЕ₁–Е₀. Соответствующее излучение лежит в красной части спектра. Кристаллу рубина придают форму цилиндра со строго параллельными гранями. Одно основание цилиндра посеребрено и представляет собой зеркало. Другое – покрыто серебром лишь частично, некоторая доля излучения может пройти через него. Испущенные фотоны отражаются такими параллельными зеркалами и накапливаются. Направленный пучок образуется фотонами, вылетающими через частично отражающий торец рубинового цилиндра.

Для лазерного излучения характерны следующие особенности:

1) строгая монохроматичность ();

2) высокая временная и пространственная когерентность;

3) большая плотность потока энергии;

4) малое угловое расхождение в пучке.

Применения лазеров многообразны, это использование пучков света с высокой плотностью мощности для механической обработки и сварки, применение в медицине в качестве бескровных скальпелей. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере, температуру и другие параметры. С появлением лазеров связаны новые разделы физики: нелинейная оптика и голография. Возникла лазерная спектроскопия, лазерная химия (химические превращения под воздействием лазерного излучения).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Как устроен атом?

2. Постулаты Бора.

3. Как происходит излучение видимого света атомом?

4. Как происходит излучение рентгеновских лучей атомом?

5. Как происходит излучение квантов атомом?

6. Какой процесс описывает обобщенная формула Бальмера? Что обозначают в этой формуле?

7. Что такое «спектр испускания», «спектр поглощения»?

8. В чем состоит существо гипотезы де Бройля? Какими опытами подтверждается гипотеза де Бройля?

9. Почему поведение микрочастицы описывают волновой функцией?

10. От чего зависит вид волновой функции?

11. Какие ограничения накладывают на волновую функцию и как эти ограничения отражают особенности поведения микрочастицы?

12. Почему принцип Паули называют «принципом запрета»?

13. Какой принцип и особенность влияния электронов друг на друга полностью объясняют структуру электронных оболочек атома?

14. Почему соотношение Гейзенберга называют принципом неопределенности?

15. Почему понятия координаты и импульса не могут быть применены к микроскопическим объектам?

16. Что означает выражение «величина дискретна», или «квантуется»?

17. Что такое индуцированное, или вынужденное излучение?

18. Практическое применение лазеров?