Спонтанное и вынужденное излучение света

    В квантовой физике излучение света понимается как испускание фотонов атомами или молекулами при переходе электронов из состояния с более высоким значением энергии в состояние с более низким значением. Сам факт излучения считается мгновенным процессом, т. е. квантовая теория не рассматривает какие процессы происходят в возбужденном атоме. Считается, что атом, переходя в возбужденное состояние, может пребывать в этом состоянии в течение некоторого времени, а затем совершать переход в состояние с более низким значением энергии. Тем не менее, имеется возможность ввести представление о продолжительности нахождения атома в возбужденном состоянии. Если излучающая частица переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, то среднее число  переходов за единицу времени с уровня n на другой m А _mn, и средняя продолжительность возбужденного состояния выражается соотношением . Это время ≈10^-8с.

    Если атомы не подвержены никаким внешним воздействиям, также воздействию электромагнитного излучения, то переход от верхнего состояния в нижнее совершается самопроизвольно или, как говорят, спонтанно и сам переход называется спонтанным переходом. Спонтанные переходы определяются внутренними свойствами атомов. Время пребывания атома в возбужденном состоянии не является определенной величиной и переходы совершенно случайны, поэтому, спонтанное излучение не является когерентным, т. е. его фаза меняется хаотично, также случайны его направление и  плоскость поляризации.

    Вынужденное или индуцированное излучение происходит под действием внешнего воздействия или излучения. При действии периодически действующего поля излучения электроны в атоме совершают вынужденные переходы от нижнего уровня на верхний, так и от верхнего уровня на нижний, т. е. совершают как поглощательные, так и испускательные переходы. Вероятность таких переходов зависит от интенсивности падающего излучения. Эйнштейн показал, что вероятность как поглощательных, так и испускательных переходов одинакова.

Вынужденное излучение обладает важными свойствами. Направление излучения вынужденного излучения в точности совпадает с направлением вынуждающего излучения, падающего извне. Кроме того, частота, фаза и поляризация вынужденного излучения оказываются такими же как у вынуждающего излучения. Другими словами, вынужденное излучение и вынуждающее излучение оказываются строго когерентными. Это свойство вынужденного излучения лежит в основе действия мазеров и лазеров.

    Если рассмотрим систему из двух энергетических уровней n и m, то в такой системе возможны два вынужденных перехода    n → m и m → n, первый процесс связан с поглощением, т. е. с уменьшением интенсивности проходящего света, второй – с испусканием, т. е. с увеличением интенсивности проходящего света. Результирующее изменение интенсивно-сти зависит от того, какой из этих процессов преобладает.

    При термодинамическом равновесии распределениеи атомов по энергетическим состояниям выражается распределенгием Больцмана

,

Где N – полное число атомов в системе, N_i – число атомов, обладающих энергией E_i. Видно, что с увеличением энергии уровня его населенность убывает. Число переходов с данного уровня пропорционально населенности уровня. Поскольку населенность состояния с меньшей энергией больше, чем населенность состояния с большей энергией, то следует, что при прохождении света через вещество поглощение световой волны преобладает над вынужденным излучением и проходящий через вещество свет ослабляется.

    Для того, чтобы получить усиление падающей волны нужно обратить обратить населенности энергетических уровней, сделать так, что в состоянии с большей энергией находилось больше атомов, чем в состоянии с меньшей энергией, создать инверсную населенность

.

В случае инверсной населенности >1 при > 0 это условие приводит к тому, что что температура должна иметь отрицательное значение. Поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой. На такую возможность излучения впервые указал росс. физик Фабрикант (1939).

    Изменение интенсивности при прохождении света в веществе выражается формулой Бугера-Ламберта

,

где I ₀ – интенсивность падающего излучения, k – коэффициент поглощения. В системах с инверсной населеностью интенсивность света по мере прохождения света через вещество усиливается. Это соответствует случаю, когда коэффициент поглощения имеет отрицательное значение. Значит, система с инверсной населенномстью имеет отрицательный коэффициент поглощения.

Мазеры и лазеры

     В 1953 г. Н.Г. Басову и А.Н. Прохорову и независимо от них Таунсу, Веберу (рис.59) и удалось создать первые молекулярные генераторы на аммиаке, работающие в области сантиметровых волн.

 

Рис.59

Эти генераторы назывались мазерами (microwave amplification by stimulated emission of radiation). В этом генераторе молекулы находящиеся на нижнем энергетическом уровне удалялись с помощью специально созданного неоднородного электрического поля. Тем самым подавлялось поглощение и излучение превышало поглощение.

    В 1860 г. Мейман (США) создал первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне (light amplification by stimulated emission of radiation). Лазеры иногда называют оптическими квантоавыми генераторами (ОКГ). Создание лазера стало возможным благодаря тому, что были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах.

    В лазере Меймана рабочим веществом служил цилиндр розового рубина диаметром ≈1см, длиной около 5см. Торцы цилиндра тщательно отполировались и представляли собой строго параллельные между собой плоскости. Один торец стержня покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался тонким слоем серебра с тем расчетом, чтобы часть светового потока (около 8%) мог выйти наружу через полупрозрачное зеркало.

    Рубин представляет собой окись алюминия Al ₂ O ₃, в котором некоторые атомы Al замещены ионами Cr⁺³ (0,03¸0,05%), сидящими в узлах решетки кристалла и придающими кристаллу розовый цвет.

    При поглощени света ионы хрома переходят в возбужденное состояние. Обратный переход происходит в два этапа (рис.60а).

Рис.59

    Схема уровней энергии хрома содержит ближайшее к основному уровню Cr⁺³ две широкие энергетические полосы А и двойной метастабильный уровень В, переходы с которых на основной уровень соотсетствуют переходам с длинами волн 692,7 и 694,3 нм. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и некоторая часть из них переходит на метастабильные уровни В. Переход от метастабильных уровней на основной уровень запрещены правилами отбора. Поэтому среднее время жиэни в метастабильном состоянии около 10^-3с примерно 10⁵ раз превышает время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состоянияпереходят в основное, излучая свет указанных выше длин волн. Пока мы имеем в виду спонтанное излучение. Если в рубине создать внешнее световое излучение с такой же длиной волны, то пол лействием поля внешнего излучения переход иогнов от метастабильного в основное состояниепроисходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении. В лазере рубин освещается зеленым светом мощной импульсной лампы наполненной неоном икриптоном. При этом большинство ионов хрома переводится на уровни широкой полосы А. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов ввозбужденное состояние, называется накачкой.

        Для понимания действия лазера рассмотрим более подробно те процессы, которые происходят при взаимодействии фотонов с частицами вещества. На рис.60 кружочками обозначены атомы или молекулы вещества и стрелками фотоны. Если воэбужденные атомы испускают фотон спонтанно, то они излучаются в каком-либо случайном направлении. Эти фотоны на рисунке показаны стрелками, имеющими различные направления. Если на возбужденный атом налетает фотон с энергией, соответствующей энергии квантового перехода, то он вызывает вынужденное излучение нового фотона, который, будучи когерентным с падающим фотоном, будет излучаться вместе с ним практически в том же направлении. Встречаясь с другими возбужденными атомами, эти два фотона вызовут излучение еще двух фотонов, появится четыре фотона, затем восемь и т. д. фотонов, т. е. число фотонов будет лавинообразно возрастать. Таким образом растет число когерентных фотонов, т. е. растет когерентное излучение. Однако наряду с излучением часть фотонов будет поглощаться. Если вынужденное иизлучение преобладает над поглощением, то при наличии инверсной населенноси\ти частиц лавина когерентных фотонов возрастает.

    Фотоны, образующие малый угол с осью кристалла испытывают многократное отражение на зеркалах. Поэтому каскады фотонов вдоль оси стержня получают особенно сильное развитие. Фотоны, испущенные в других направлениях, выходят из кристалла через боковую поверхность. Процесс образования лавины показан рис.60.

 

Рис.60

Когда поток становится особенно интенсивным, часть его выходит через полупрозравчное зеркало.

    Лазеры на рубине работают в импульсном режиме. В кристалле выделяется много тепла,поэтому онинтенсивно охлаждается жидким азотом.

    В 1961 г.Джаваном был создан первый газовый, а именно гелий-неоновый лазер. В этом лазере усиливающей средой является плазма высокочастотного газового разряда, полученного в смеси гелия с неоном. Вследствие соударений с электронами, полученными при разряде, атомы гелия переходят с невозбужденного уровня Е₁ в возбужденное состояние с энергией E₃ (см. рис. 60б). При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона, атомы неона тоже возбуждаются и переходят в один из возбужденных уровней, близко расположенных к возбужденному уровню гелия. Переход ионов неона в один из нижележащих уровней Е₂ сопровождается лазерным излучением.

     Излучение лазеров обладает рядом замечательных особенностей:

1. Строгая монохроматичность, Δλ≈0,01нм,

2.  Высокая когерентность,

3. Острая направленность,

4. Узость пучка, параллельность пучка, т. е. малость угла расхождения пучка.

Узость пучка и большая мощность позволяют получить большую плотность, которую невозможно получить от обычных исмточников света. Это привело к развитию нового направления в оптике – нелинейной оптики. Также широко используются в науке и технике другие свойства лазерного излучения.