§6 Поглинання.

Спонтанне й змушене випромінювання


У нормальних умовах ( при відсутності зовнішніх впливів) більша частина електронів в атомах перебувають на найнижчому незбудженому рівні Е1, тобто атом має мінімальний запас внутрішньої енергії, інші рівні Е2, Е3....Еn, відповідні до збуджених станів, мають мінімальну заселеність електронами або взагалі вільні. Якщо атом перебуває в основному стані з Е1, то під дією зовнішнього випромінювання може здійснитися змушений перехід у збуджений стан з Е2. Імовірність таких переходів пропорційна щільності випромінювання, що викликає ці переходи.

Атом, перебуваючи в збудженому стані 2, може через якийсь час спонтанно мимовільно ( без зовнішніх впливів) перейти в стан з нижчою енергією, віддаючи надлишкову енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, тобто випускаючи фотон.

            Процес випущення фотона збудженим атомом без яких-небудь зовнішніх впливів називається спонтанним (мимовільним) випромінюванням. Чим більше ймовірність спонтанних переходів, тем менше середній час життя атома в збудженому стані. Т.як спонтанні переходи взаємно не зв'язані, те спонтанне випромінювання не когерентно.

            Якщо на атом, що перебуває в збудженому стані 2, діє зовнішнє випромінювання із частотою, що задовольняє hn = Е2 - Е1, то виникає змушений (індукований) перехід в основний стан 1 з випромінюванням фотона з тою же енергією hn = Е2 - Е1. При подібному переході відбувається випромінювання атомом додатково до того фотона, під дією якого відбувся перехід. Випромінювання, що відбувається в результаті зовнішнього опромінення називається змушеним. Таким чином, у процес змушеного випромінювання залучені два фотони: первинний фотон, що викликає випущення випромінювання збудженим атомом, і вторинний фотон, випущений атомом. Вторинні фотони неотличимы від первинних.

            Ейнштейн і Дирак довели тотожність змушеного випромінювання випромінюванню, що змушує: вони мають однакову фазу, частоту, поляризацію й напрямок поширення. Þ Змушене випромінювання строге когерентно з випромінюванням, що змушує.

            Випущені фотони, рухаючись в одному напрямку й, зустрічаючи інші збуджені атоми, стимулюють подальші індуковані переходи, і число фотонів росте лавинообразно. Однак поряд зі змушеним випромінюванням буде відбуватися поглинання. Тому для посилення падаючого випромінювання необхідно, щоб число фотонів у змушених випромінюваннях (яке пропорційно заселеності збуджених станів) перевищувало число поглинених фотонів. У системі атоми перебувають у термодинамічній рівновазі, поглинання буде переважати над змушеним випромінюванням, тобто падаюче випромінювання при проходженні через речовину буде послаблятися.

            Щоб середовище підсилювало падаюче на неї випромінювання необхідно створити нерівновагий стан системи, при якому число атомів у збудженому стані більше, чим в основному. Такі стани називаються станами з інверсією заселенностей. Процес створення нерівновагого стану речовини називається накачуванням. Накачування можна здійснити оптичними, електричними й іншими способами.

            У середовищах з інверсною заселеністю змушене випромінювання може перевищити поглинання, тобто падаюче випромінювання при проходженні через середовище буде підсилюватися (ці середовища називаються активними). Для цих середовищ у законі Бугера I = I0e-ax, коефіцієнт поглинання a - негативний.

 

§7 Лазери - оптичні квантові генератори

 

На початку 60-х років був створений квантовий генератор оптичного діапазону - лазер “Light Amplification by Stimulated emission of Radiation” - посилення світла шляхом індукованого випущення випромінювання. Властивості лазерного випромінювання: висока монохроматичність (гранично висока світлова частота), гостра просторова спрямованість, величезна спектральна яскравість.

           Згідно із законами квантової механіки, енергія електрона в атомі не довільна: вона може мати лише певний (дискретний) ряд значень Е1, Е2, Е3... Еn, називаних рівнями енергії. Значення ці різні для різних атомів. Набір дозволених значень енергії зветься енергетичного спектра атома. У нормальних умовах ( при відсутності зовнішніх впливів) більша частина електронів в атомах перебуває на найнижчому збудженому рівні Е1, тобто атом має мінімальний запас внутрішньої енергії; інші рівні Е2, Е3.....Еn відповідають більш високій енергії атома й називаються збудженими.

           При переході електрона з одного рівня енергії на інший атом може випускати або поглинати електромагнітні хвилі, частота яких nmn = (Еm - Еn)h,

де h - постійна Планка (h = 6.62 · 10-34 Дж·с);

Еn - кінцевий, Еm - початковий рівень.

Збуджений атом може віддати свою деяку надлишкову енергію, отриману від зовнішнього джерела або придбану їм у результаті теплового руху електронів, двома різними способами.

                        Усякий збуджений стан атома хитливо, і завжди існує ймовірність його мимовільного переходу в більш низький енергетичний стан з випущенням кванта електромагнітного випромінювання. Такий перехід називають спонтанним (мимовільним). Він носить нерегулярний, хаотичний характер. Усі звичайні джерела дають світло в результаті спонтанного випущення.

                        Такий перший механізм випущення (електромагнітного випромінювання). У розглянутій дворівневій схемі випущення світла ніякого посилення випромінювання добитися не вдасться. Поглинена енергія hn виділяється у вигляді кванта з тою же енергією hn і можна говорити про термодинамічну рівновагу: процеси порушення атомів у газі завжди врівноважені зворотними процесами випроміннювання.

 


§8 Трьохрівнева схема

В атомах речовини при термодинамічній рівновазі на кожному наступному

збудженому рівні перебуває менше електронів, чому на попередньому. Якщо подіяти на систему збудливим випромінюванням із частотою, що попадає в резонанс із переходом між рівнями 1 і 3 (схематично 1(3), то атоми будуть поглинати це випромінювання й переходити з рівня 1 на рівень 3. Якщо інтенсивність випромінювання досить велика, то число атомів, перешедших на рівень 3, може бути досить значним і ми, порушивши рівноважний розподіл населеностей рівнів, побільшаємо населеність рівня 3 і зменшимо, отже, населеність рівня 1.

                        З верхнього третього рівня можливі переходи 31 і 32. Виявилося, що перехід 31 приводить до випущення енергії Е 3-Е1=hn3-1, а перехід 32 не є випромінювальним: він веде до заселення ”зверху” проміжного рівня 2 (частина енергії електронів при цьому переході віддається речовині, нагріваючи його). Цей другий рівень називається метастабільним, і на ньому в підсумку виявиться атомів більше, чим на першому. Оскільки атоми на рівень 2 надходять із основного рівня 1 через верхній стан 3, а назад на основний рівень вертаються з “більшим запізнюванням”, те рівень 1 “збіднюється”.

          У результаті й виникає інверсія, тобто зворотний інверсний розподіл населеностей рівнів. Інверсія населеностей енергетичних рівнів створюється інтенсивним допоміжним випромінюванням, називаним випромінюванням накачування й приводить в остаточному підсумку до індукованого (змушеному) розмноженню фотонів в інверсному середовищі.

          Як у всякому генераторі, у лазері для одержання режиму генерації необхідний зворотний зв'язок. У лазері зворотний зв'язок реалізується за допомогою дзеркал. Посилююча (активна) середовище міститься між двома дзеркалами - плоскими або частіше ввігнутими. Одне дзеркало робиться суцільним, інше частково прозорим.

                        “Запалом” для процесу генерації служить спонтанне випущення фотона. У результаті руху цього фотона в середовищі він породжує лавину фотонів, що летять у тому ж напрямку. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, лавина частково відіб'ється, а частково пройде крізь дзеркало назовні. Після відбиття від правого дзеркала хвиля йде назад, продовжуючи підсилюватися. Пройшовши відстань l, вона досягає лівого дзеркала, відбивається й знову спрямовується до правого дзеркала.

                        Такі умови створюються тільки для осьових хвиль. Кванти інших напрямків не здатні забрати помітну частину запасеної в активному середовищі енергії.

                        Вихідна з лазера хвиля має майже плоский фронт, високий ступінь просторової й тимчасової когерентності по всьому перетину пучка.

                        У лазерах у якості активного середовища застосовують різні гази й газові суміші (газові лазери), кристали й скла з домішками певних іонів (твердотельные лазери), напівпровідники (напівпровідникові лазери).

                        Способи порушення (у системі накачування) залежать від типу активного середовища. Це або спосіб передачі енергії порушення в результаті зіткнення часток у плазмі газового розряду (газові лазери), або передача енергії опроміненням активних центрів некогерентним світлом від спеціальних джерел (оптичне накачування у твердотельных лазерах), або інжекція нерівновагих носіїв через р-n - перехід, або порушення електронним пучком, або оптичне накачування(напівпровідникові лазери).

                        У цей час створене надзвичайно багато різних лазерів, що дають випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль (200÷2·104 нм). Лазери працюють із дуже короткою тривалістю світлового імпульсу t » 1·10-12 с, можуть давати й безперервне випромінювання. Щільність потоку енергії лазерного випромінювання становить величину порядку 1010 Вт/см2 (інтенсивність Сонця становить усього 7·103 Вт/см2).

До списку лекцій

Головна