Что такое вынужденное излучение каковы свойства фотонов излучаемых при вынужденном излучении

Вынужденное излучение

Если атом находится в основном состянии , то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние . Переходя из возбужденного состояния в состояние , атом испускает электромагнитное излучение частотой

Различают спонтанное (самопроизвольное) излучение, происходящее независимо от того, действует на излучающую систему внешнее излучение или нет, и вынужденное (индуцированное) излучение, вызываемое внешним излучением той же частоты.

Вынужденное (индуцированное) излучение – испускание фотонов частоты возбужденными атомами, молекулами и другими квантовыми системами под действием фотонов (внешнего излучения) такой же частоты. Вынужденное излучение происходит в результате квантового перехода с более высокого уровня энергии ℰ_i на более низкий ℰ_k:

ℰ_i ─ ℰ_k= ,

где ─ постоянная Планка. Испущенное вынужденное излучение совпадает с вынуждающим не только по частоте, но и по направлению распространения, поляризации и фазе. Понятие о вынужденном излучении введено А.Эйнштейном в 1916 г. В случае отсутствия термодинамического равновесия при инверсии населённостей для уровней энергии ℰ_i и ℰ_k (когда населённость верхнего уровня ℰ_i больше населённости нижнего уровня ℰ_k) число процессов вынужденного излучения преобладает над числом процессов поглощения и интенсивность излучения частоты (ℰ_i – ℰ_k)/ будет возрастать. На этом принципе основано действие генераторов монохроматического излучения в оптической и микроволновой областях спектра – лазеров и мазеров.

Инверсия населённостей [от лат. inversio ‒ переворачивание, перестановка] – неравновесное состояние вещества, при котором число атомов в возбужденных состояниях больше, чем их число в основном состоянии. Инверсия населённостей – необходимое условие генерации и усиления электромагнитных колебаний во всех устройствах квантовой электроники.

Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура от англ.: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света вынужденным излучением) – устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. В основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания фотонов возбуждёнными квантовыми системами – атомами, молекулами, жидкостями и твёрдыми телами. Лазер состоит из трёх основных компонентов:1) активная среда, в которой создаются состояния с инверсией населённостей за счёт поглощения энергии от какого-либо источника; 2) устройство, поставляющее энергию для создания инверсии в активной среде и переработки её в когерентное излучение, – система накачки; 3) оптический резонатор – устройство, формирующее выходящий световой пучок и выводящее в пространство направленный пучок фотонов. Различают следующие типы лазеров: твердотельные, электроразрядные, полупроводниковые, N₂ – CO₂ и CO – лазеры, аргоновые, эксимерные, лазеры на красителях, химические, газодинамические, лазеры на свободных электронах, гамма-лазеры, рентгеновские, лазеры с ядерной накачкой и др.

Рассмотрим принцип работы твердотельного лазера по трехуровневой схеме. Активная среда – кристалл рубина, представляющего собой оксид алюминия , в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Al замещены трехвалентными иона хрома.

При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной ксеноновой лампы, атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3. Далее осуществляются либо спонтанные переходы 3-1, либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2. На 2 уровне возникает среда с инверсной населенностью.

Фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2-1, в результате чего появится лавина вторичных фотонов, однако спонтанные переходы носят случайный характер и фотоны распространяются в разных направлениях, и поэтому вторичные фотоны тоже будут распространяться по-разному.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. В простейшем случае им могут служить пара обращенных друг к другу зеркал, между которыми помещается активная среда. Одно из зеркал полупрозрачно, от другого полностью отражается свет. Фотоны, направление движения которых образуют малые углы с осью рубинового стержня, будут испытывать многократные отражения от торцов образца.

Каскады фотонов в направлении оси образца получают интенсивное развитие, фотоны, испущенные в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Когда пучок фотонов становится достаточно интенсивным, он выходит через полупрозрачный торец кристалла. Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (несколько импульсов в минуту).

В 1960 г. был создан газовый лазер на смеси гелия и неона (А.Джаван), в котором инверсия населенностей атомов неона достигалась передачей им энергии от атомов гелия, возбуждаемых ударами электронов в газовом разряде. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры, в которых накачка осуществляется инжекцией через гетеропереход. Они могут работать в непрерывном и импульсном режимах.

Излучение лазеров отличается временной и пространственной когерентностью, строгой монохроматичностью, большой мощностью, узостью пучка.

Лазерная технология – совокупность приемов и способов обработки материалов и изделий с использованием лазеров. Применяются твердотельные и газовые лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах. Основные операции связаны с тепловым действием лазерного излучения. Преимущества лазерных технологий – высокая локальность, кратковременность воздействия, малая зона термического влияния, возможность ведения технологического процесса в любых прозрачных средах и внутри герметически закрытых объемов. Лазеры используются для сверления отверстий, резки и скрайбирования (нанесение рисунка на поверхность пластины полупроводника лазерным лучом), закалки, сварки, гравировки, изготовления и фигурной обработки тонких пленок и др.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Почему тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр, а характеристическое – линейчатый?

2. Что называется спонтанным излучением? вынужденным излучением?

3. Каковы свойства лазерного излучения?

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

Источник

Вынужденное излучение

Рис. 1a. Поглощение фотона.

Рис. 1б. Вынужденное испускание фотона.

Рис. 1в. Спонтанное испускание фотона.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. [1]

Содержание

Введение. Теория Эйнштейна

Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: и где — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, — спектральная плотность излучения.

Число переходов с поглощением света выражается как

с испусканием света даётся выражением:

где — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света при переходах должно равняться числу квантов испущенных в обратных переходах

Между коэффициентами Эйнштейна существует связь, которую мы сейчас найдем.

Связь между коэффициентами

Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью получаемой из формулы Планка:

Так как мы рассматриваем термодинамическое равновесие, то Используя уравнения (2) и (3), находим для состояния равновесия:

При термодинамическом равновесии распределение частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана :

где и — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.

Итак, сравнивая (4) и (5) и принимая во внимание, что получим:

Так как при спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то нам следует положить знаменатель равным нулю, откуда имеем:

Далее, сопоставив (3) и (6), легко получить:

Последние два соотношения справедливы для любых комбинаций уровней энергии. Их справедливость сохраняется и при отстутствии равновесия, так как определяются только характеристикой систем и не зависят от температуры.

Свойства вынужденного испускания

По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного.

Применение

Последние открытия

Британские ученые смогли замедлить испускание фотона при помощи «побочных продуктов», остающихся при изготовлении квантовых точек. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Ее основные положения приведены в пресс-релизе Университета Ворвика, сотрудники которого принимали участие в исследовании.

В своей работе физики «замедляли» свет, продлевая время жизни экситона. Экситон представляет собой квазичастицу, возникающую при выбивании электрона фотоном с его энергетического уровня на более высокий (говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние). Электрон и образовавшаяся на его месте «дырка» оказываются связаны друг с другом посредством зарядовых взаимодействий. Когда электрон возвращается на прежний энергетический уровень, он занимает место «дырки», а выбивший его фотон испускается системой.

Экситоны могут иметь различную природу. В частности, пару электрон-«дырка» может содержать кольцеобразный фрагмент материала, образовавшийся при производстве квантовых точек — изолированных нанообъектов, свойства которых заметно отличаются от свойств более крупных кусков такого же состава.

Авторы работы показали, что воздействие на такой квантовый бублик определенной комбинацией электрических и магнитных полей способно существенно замедлить скорость возвращения электрона на место «дырки» и испускания фотона.

Авторы работы считают, что у разработанной ими технологии большое будущее. Например, задержка испускания света может помочь в создании компьютеров, в которых фотоны используются для передачи информации.

См. также

Ссылки

Литература

А. Л. Микаэлян, М. Л. Тер-Микаелян Ю. Г. Турков. «Оптические генераторы на твёрдом теле». М.: Советское радио, 1967.

ar:انبعاث محفز ca:Emissió estimulada cs:Stimulovaná emise de:Stimulierte Emission en:Stimulated emission fi:Stimuloitu emissio fr:Émission stimulée he:פליטה מאולצת it:Emissione stimolata ja:誘導放出 ko:자극 방출 lt:Priverstinis spinduliavimas nl:Gestimuleerde emissie pl:Emisja wymuszona sv:Stimulerad emission uk:Вимушене випромінювання

Источник

Вынужденное излучение

До сих пор мы говорили только о спонтанных переходах атомов на более низкие энергетические уровни (с излучением фотонов) и вынужденных переходах под действием излучения на более высокие энергетические уровни (излучение и поглощение света веществом).

В 1918 г. Эйнштейн указал, что этих двух видов переходов недостаточно для объяснения существования равновесных состояний между излучением и веществом.

Это связано с тем, что вероятность спонтанных переходов определяется только внутренними свойствами атомов и не зависит от интенсивности падающего излучения. В то же время вероятность поглощательных, вынужденных, переходов зависит и от свойств атомов и от интенсивности падающего излучения.

Для возможности установления равновесия между излучением и излучающим телом при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование испускательных переходов, вероятность которых возрастает с увеличением интенсивности излучения. Излучение, соответствующее таким переходам, называется вынужденным или индуцированным.

Из термодинамических соображений Эйнштейн доказал, что вероятности вынужденных переходов как с поглощением, так и с излучением света должны быть равны.

Главная особенность вынужденного излучения состоит в том, что по частоте, фазе, поляризации и, направлению распространения вынуденное излучение в точности совпадает с вынуждающим излучением. Эта его особенность лежит в основе действия усилителей и генераторов света.

Лазеры

В 1939 г. Фабрикант впервые указал на возможность получения среды, в которой свет будет усиливаться.

В 1953 г. Басов и Прохоров в СССР и Таунс и Вебер в США создали первые молекулярные квантовые генераторы, работавшие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров (Microvave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

В 1960 г. Нейман в США создал первый Оптический Квантовый Генератор – лазер (Lighte….).

Как мы говорили, свет частоты , совпадающий с одной из частот атомов вещества, при прохождении через вещество может вызвать два процесса:

1. Вынужденные переходы с поглощением света;

2. Вынужденные переходы с излучением света.

Изменение интенсивности исходного пучка зависит от того, какой из этих двух процессов преобладает.

В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов описывается распределением Больцмана:

(36.22)

– полное количество атомов;

– число находится в соответствии с энергией .

Из этого распределения вытекает, что населенность (число атомов в данном состоянии) энергетического уровня с ростом энергии уменьшается. А значит, среда в состоянии термодинамического равновесия будет в основном поглощать энергию излучения. Вероятность того, что фотон встретит атом в состоянии с минимальной энергией намного больше, чем вероятность встретить атом в возбужденном состоянии, способный испустить фотон.

Для усиления падающей волны необходимо создать инверсную населенность, т.е. такое состояние, когда в состоянии с большей энергией находится большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией . Такое состояние называется неравновесным, вследствие того, что может быть реализовано только в результате некоторого воздействия на вещество. Такому состоянию можно приписать отрицательную температуру, поскольку для него

что может быть только при условии . Вещество в состоянии инверсной населенности подобно горке песка, которая перевернута и стоит на вершине.

Создание лазера стало возможным после разработки методов создания инверсной населенности.

В лазере Меймана рабочим телом (т.е. усиливающей свет средой) был цилиндр длиной 5 см и диаметром 1 см. Торцы цилиндра отполированы и покрыты слоем серебра: один – толстым, другой – пропускал падающего света.

Особенностью использовавшегося рубина было наличие в нем небольшого количества ионов , которые в замещают атомы алюминия.

Атомы хрома при поглощении света переходят в возбужденное состояние. В этом состоянии они способны отдать часть своей энергии кристаллической решетке и перейти в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому в метастабильном состоянии атом может находиться очень долго с. Это время в раз превышает время жизни в обычном возбужденном состоянии.

Вероятность спонтанного перехода из метастабильного состояния в основное, запрещенного правилами отбора, мала, но конечна. Вероятность вынужденного перехода значительно больше. Поэтому под действием фотонов с соответствующей длиной волны ионы хрома могут быстро перейти в основное состояние.

Рубин освещался импульсной ксеноновой лампой, свет которой поглощался атомами хрома и переводил их возбужденное состояние. Это обеспечивало создание инверсной населенности. Внешнее воздействие, обеспечивающее создание инверсной населенности называется накачкой. После создания инверсной населенности достаточно одного спонтанного перехода из состояния метастабильного состояния в основное, чтобы вызвать появление лавины фотонов в направлении первого фотона, поскольку излученный при этом фотон вызывает вынужденное излучение таких же фотонов. Зеркала на торцах кристалла обеспечивали создание выделенного в объеме кристалла направления. Фотоны, движущиеся вдоль оси кристалла, испытывают многократные отражения от этих зеркал. Поэтому путь их в кристалле оказывается большим, и они стимулируют новые переходы с излучением фотонов, движущихся вдоль оси кристалла. Фотоны испущенные в других направлениях вызывают появление быстро исчезающих лавин.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, излучая несколько импульсов в минуту, что объясняется сильным нагревом кристалла.

В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый гелий-неоновый лазер.

В 1963 г. – полупроводниковый.

Излучение лазера характеризуется:

1. Очень высокой монохроматичностью.

2. Большой временной и пространственной когерентностью.

Источник