24/ Вынужденное излучение. Лазеры.

Мы рассматривали только два вида переходов. Спонтанные (самопроизвольные) переходы происходят с более высоких на более низкие уровни и сопровождаются испусканием фотона. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно. Вынужденные переходы происходят под воздействием внешнего излучения с более низких на более высокие уровни.

Как заметил Эйнштейн, этих двух видов переходов не достаточно, чтобы объяснить равновесное излучение, поскольку спонтанные переходы зависят только от свойств атомов, а вероятность поглощательных переходов зависит как от атомов, так и от интенсивности излучения. Для возможности установления равновесия при произвольной интенсивности падающего излучения, необходимо существование вынужденныхиспускательных переходов, вероятность которых зависит от интенсивности падающего излучения. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, то возникает вынужденный переход в основное состояние с излучение фотона той же частоты. Т.е. происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Вынужденное излучение обладает очень важным свойством. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего этот переход. Тоже можно сказать относительно частоты, фазы и поляризации вынужденного и вынуждающего излучений. Поэтому вынужденное и вынуждающее излучение строго когерентно.

Таким образом, воздействующий на вещество свет частоты w, совпадающий с одной из частотатомов вещества будет вызывать два процесса: 1) вынужденный переход, и 2) вынужденный переход. Первый процесс приводит испусканию света, второй к поглощению. Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает. Для того чтобы получить усиление падающей волны, нужно сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией(в возбужденном состоянии) находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией. Такое состояние системы называется состоянием с инверсной населенностью. В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Явление протекает так, как если бы коэффициент поглощения в законе Бугерастал бы отрицательным. Поэтому активную среду (с инверсной населенностью) можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. В первом лазере рабочим телом был розовый рубин. Рубин представляет собой оксид алюминия () в котором некоторые атомы алюминия замещены ионами хрома(3% для розового рубина). Рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии называется накачкой.

При поглощении света ионы хрома переходят в возбужденное состояние. Вероятность спонтанного обратного перехода мала. Обратный переход происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход их метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии () враз больше времени жизни в основном состоянии. На втором этапе ионы переходят их метастабильного состояния в основное с испусканием фотона. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное излучение, которые, в свою очередь, тоже вызывают вынужденное излучение. Под действием фотонов той же частоты, т.е. при вынужденном излучении, переход в основное состояние происходит значительно быстрее, чем при спонтанном переходе. Возникает лавина когерентных фотонов. Фотоны, движущиеся почти вдоль оси кристалла, испытывают многократные столкновения от зеркал, параллельных или вогнутых, находящихся на одной оптической оси (это оптический резонатор) и многократно проходят через активную среду, вызывая новую лавину фотонов. Фотоны, спонтанно испущенные в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Зеркала изготовляют так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе полупрозрачно. Когда пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачное зеркало.

Основные особенности лазерного излучения:

1. Строгая монохроматичность,

2. Высокая временная и пространственная когерентность,

3. Большая интенсивность,

4. Узость пучка.

По типу активной среды лазеры бывают: твердотельные, газовые, жидкостные.

По методу накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные

По режиму генерации: непрерывный и импульсный.