Лекция 14. (2 часа) Оптические квантовые генераторы

(Спонтанное и индуцированное излучения. Инверсная заселенность энергетических уровней. Квантовые генераторы, их основные элементы и типы. Особенности лазерного излучения. Применение лазеров.)

Спонтанные и вынужденные переходы, их вероятность

Кроме самопроизвольных, спонтанных переходов с одного энергетического уровня на другой, наблюдаются также вынужденные (или индуцированные) переходы, обусловленные действием на атом падающего излучения.

Самопроизвольные переходы могут совершаться только в одном направлении ‑ с более высокого энергетического уровня на более низкий.

Вынужденные переходы с равной вероятностью могут происходить как в одном, так и в другом направлениях. В случае перехода но более высокий энергетический уровень атом поглощает падающее на него излучение. При вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на более низкий энергетический уровень, происходит излучение атомом дополнительного (к первому, падающему) фотона.

Это излучение называется вынужденным или индуцированным излучением.

Направление вынужденного излучения в точности совпадает с направлением внешнего излучения, вызвавшего индуцированный переход.

Частота вынужденного излучения совпадает с частотой падающего излучения.

Фаза вынужденного излучения совпадает с фазой падающего излучения.

Поляризация вынужденного излучения совпадает с поляризацией падающего излучения.

Вынужденное и внешнее излучения оказываются когерентными.

Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света ‑ лазеров. Слово лазер ‑ это аббревиатура английского названия ‑ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В русскоязычной литературе вместо аббревиатуры лазер, используется отечественная аббревиатура ‑ ОКГ (оптический квантовый генератор).

Впервые принцип усиления света за счет вынужденного излучения был предложен советским физиком В.А.Фабрикантом в 1940 г.

Использование вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн в микроволновом диапазоне ‑ мазеры ‑ было независимо предложено советскими учеными Басовым и Прохоровым и американским ученым Таунсом в 1953 г. (Нобелевская премия была присуждена в 1964 г).

В 1960 г. Мейман создал аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне ‑ лазер (ОКГ).

Рассмотрим кратко принцип действия квантовых генераторов.

Итак, падающий на вещество свет частоты , совпадающей с одной из частот атомов вещества ( ) будет вызывать два процесса.

1 . Переход атомов из состояния в состояние с поглощением фотона (см. рис. 1).

2. Вынужденный переход атомов из состояния в состояние с излучением вторичного фотона (см. рис. 2).

Первый процесс приводит к поглощению света веществом и ослаблению интенсивности светового пучка.

Второй процесс приводит к увеличению интенсивности падающего света.

Результирующее изменение интенсивности света будет определяться тем, какой из двух процессов преобладает.

Для этого нужно знать число атомов, находящихся в различных энергетических состояниях. Это число атомов дается уже знакомой формулой Больцмана :

З десь ‑ константа, которая находится из условия нормировки, ‑ число атомов, обладающих энергией при температуре . График этой зависимости приведен на рис. 3.

Из этой формулы следует, что с увеличением энергии уровня, его населенность, т.е. число атомов в данном состоянии, уменьшается.

Таким образом, при термодинамическом равновесии системы поглощение света будет преобладать над вынужденным излучением, т.к. возбужденных атомов, обладающих энергией и испускающих вынужденное излучение меньше невозбужденных, обладающих энергией и поглощающих свет ( и ).

Т.е. падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.