|
10.1.
Спонтанное
и
вынужденное
излучение
,
поглощение
Для
описания
явления
спонтанного
излучения
(
рис
. 10.2,
а
)
рассмотрим
два
энергетических
состояния
1
и
2
некоторого
атома
или
молекулы
данного
вещества
с
энергиями
соответственно
Е
1
и
Е
2
(
Е
1
<
Е
2
).
С
точки
зрения
последующего
рассмотрения
это
может
быть
любая
пара
из
неограниченного
набора
состояний
,
238
характерных
для
данного
атома
.
Удобно
,
однако
,
принять
состоя
-
ние
1
за
основное
.
Предположим
,
что
первоначально
атом
нахо
-
дится
в
состоянии
2.
Поскольку
Е
2
> E
1
,
то
атом
стремится
перей
-
ти
в
состояние
1.
В
результате
такого
перехода
атом
должен
вы
-
делить
энергию
,
равную
разности
(
Е
2
–
Е
1
),
называемую
энергией
перехода
.
Когда
эта
энергия
выделяется
в
виде
электромагнитной
волны
,
процесс
называют
спонтанным
излучением
.
При
этом
час
-
тота
ν
0
излученной
волны
выражается
известным
соотношением
(
)
0
2
1
ν
E
E
h
=
−
,
(10.1)
в
котором
h –
постоянная
Планка
.
Таким
образом
,
спонтанное
излучение
характеризуется
испусканием
фотона
с
энергией
h
ν
0
= (
Е
2
–
Е
1
)
при
переходе
атома
из
состояния
2
в
состояние
1
(
рис
. 10.2,
а
).
Отметим
,
что
излучение
фотона
является
для
ато
-
ма
только
одним
из
двух
возможных
способов
перейти
из
одно
-
го
состояния
в
другое
.
Такой
переход
может
произойти
также
и
без
излучения
фотона
.
В
этом
случае
энергия
перехода
(
Е
2
–
Е
1
)
выделяется
в
иной
,
отличной
от
электромагнитного
излучения
,
форме
(
например
,
избыток
энергии
может
перейти
в
кинетиче
-
скую
или
внутреннюю
энергию
окружающих
атомов
или
моле
-
кул
).
Такой
процесс
называют
безызлучательным
переходом
,
или
безызлучательной
дезактивацией
.
Рис
. 10.2.
Схематическая
иллюстрация
трех
процессов
:
(
а
)
спонтанного
излучения
, (
б
)
вынужденного
излучения
,
(
в
)
поглощения
239
Предположим
теперь
,
что
атом
первоначально
находится
в
состоянии
2
и
при
этом
на
среду
падает
электромагнитная
волна
с
частотой
ν
=
ν
0
,
равной
частоте
волны
,
которая
испус
-
калась
бы
при
спонтанном
переходе
2
→
1
(
рис
. 10.2,
б
).
По
-
скольку
частоты
этих
двух
волн
одинаковы
,
оказывается
,
что
существует
конечная
вероятность
того
,
что
падающая
волна
вызовет
переход
атома
из
состояния
2
в
состояние
1.
В
этом
случае
энергия
(
Е
2
–
Е
1
)
выделится
в
виде
электромагнитного
излучения
,
которое
добавится
к
падающему
.
В
этом
и
заключа
-
ется
явление
вынужденного
излучения
,
иногда
называемого
также
индуцированным
излучением
.
Между
процессами
спонтанного
и
вынужденного
излуче
-
ния
существует
принципиальное
различие
.
В
случае
спонтанного
излучения
различные
атомы
испускают
электромагнитные
волны
,
никак
не
связанные
по
фазе
друг
с
другом
.
Более
того
,
каждая
из
этих
волн
может
быть
испущена
в
любом
направлении
.
В
случае
же
вынужденного
излучения
,
поскольку
этот
процесс
вызывается
падающей
электромагнитной
волной
,
волна
,
испущенная
любым
из
атомов
,
добавляется
к
падающей
,
имея
одинаковую
с
ней
фазу
и
распространяясь
в
том
же
направлении
.
Предположим
теперь
,
что
атом
первоначально
находится
в
состоянии
1
(
рис
. 10.2,
в
)
.
Если
это
состояние
–
основное
,
то
атом
будет
оставаться
в
нем
до
тех
пор
,
пока
не
появится
какое
-
либо
действующее
на
него
внешнее
возмущение
.
Пусть
на
среду
падает
электромагнитная
волна
с
частотой
ν
=
ν
0
.
В
этом
случае
существует
конечная
вероятность
того
,
что
атом
перейдет
в
верх
-
нее
состояние
2.
Энергия
(
Е
2
–
Е
1
),
которая
потребуется
атому
,
чтобы
осуществить
этот
переход
,
будет
при
этом
заимствована
из
энергии
падающей
электромагнитной
волны
.
В
этом
заключается
процесс
поглощения
.
Таким
образом
,
в
каждом
акте
вынужденного
излучения
происходит
рождение
,
а
в
каждом
акте
поглощения
–
уничтоже
-
ние
одного
фотона
.
240
10.2.
Принцип
работы
лазера
Рассмотрим
два
произвольных
энергетических
состоя
-
ния
1
и
2
некоторого
вещества
и
обозначим
соответственно
через
N
1
и
N
2
их
населенност
и
(
числа
атомов
,
молекул
в
еди
-
нице
объема
).
Если
в
данном
веществе
вдоль
оси
z
распростра
-
няется
плоская
электромагнитная
волна
с
плотностью
потока
фотонов
F (
рис
. 10.3),
то
малое
изменение
плотности
потока
d
F
в
тонком
слое
толщиной
d
z (
заштрихованная
область
на
рис
. 10.3)
будет
обусловлено
как
процессами
вынужденного
излучения
,
так
и
поглощения
.
Пусть
через
S
обозначена
площадь
попереч
-
ного
сечения
пучка
.
Разность
между
числами
фотонов
,
поки
-
дающих
выделенный
объем
и
поступающих
в
него
в
единицу
времени
,
будет
при
этом
равна
SdF.
Поскольку
в
каждом
акте
вынужденного
излучения
рождается
,
а
в
каждом
акте
погло
-
щения
уничтожается
один
фотон
,
то
величина
SdF
должна
рав
-
няться
разнице
между
числом
актов
вынужденного
излучения
и
поглощения
,
произошедших
в
рассматриваемом
объеме
в
единицу
времени
.
Рис
. 10.3.
Малое
изменение
плотности
потока
фотонов
d
F
в
плоской
электромагнитной
волне
при
прохождении
через
тонкий
слой
вещества
толщиной
d
z
Изменение
плотности
потока
(
)
2
1
d
σ
d ,
F
F N
N
z
=
−
(10.2)
где
σ
–
поперечное
сечение
перехода
.
Если
реализуются
нерав
-
новесные
условия
,
при
которых
N
2
>
N
1
,
то
среда
ведет
себя
как
241
усилитель
света
.
Имея
в
виду
то
,
что
разность
населенностей
N
2
–
N
1
приотивоположна
по
знаку
той
,
которая
существует
при
тепловом
равновесии
,
говорят
об
инверсии
населенностей
.
Для
превращения
усилителя
в
генератор
необходимо
до
-
полнить
его
положительной
обратной
связью
,
помещая
активную
среду
в
объемный
резонатор
между
двумя
зеркалами
(
см
.
рис
. 10.1).
Световая
волна
,
распространяющаяся
вдоль
оси
резонатора
,
мно
-
гократно
проходит
через
активную
среду
,
непрерывно
набирая
энергию
.
Для
самовозбуждения
лазера
необходимо
достижение
пороговых
условий
,
при
которых
усиление
света
за
счет
вы
-
нужденного
излучения
в
инвертированной
среде
начинает
пре
-
вышать
величину
потерь
.
Данное
условие
называют
амплитуд
-
ным
условием
самовозбуждения
лазера
.
Другое
условие
самовоз
-
буждения
,
называемое
фазовым
,
состоит
в
том
,
что
на
длине
резонатора
должно
укладываться
целое
число
полуволн
генери
-
руемого
излучения
.
Благодаря
частичному
пропусканию
света
одним
из
зеркал
резонатора
излучение
выводится
наружу
,
обра
-
зуя
лазерный
луч
.
Do'stlaringiz bilan baham: |
