ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Итак, нам известны два вида переходов атомов между энергетическими уровнями: спонтанные переходы с более высоких на более низкие энергетические уровни и происходящие под действием излучения (вынужденные) переходы с более низких на более высокие энергетические уровни.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В 1918 г. Эйнштейн обратил внимание на то, что двух указанных видов переходов недостаточно для объяснения существования равновесия между излучением и веществом.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Действительно, вероятность спонтанных переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и, следовательно не может зависеть от интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность поглощательных переходов зависит как от свойств атомов, так и от интенсивности падающего излучения.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Для возможности установления равновесия при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование испускательных переходов, вероятность которых возрастала бы с увеличением интенсивности излучения, т.е. испускательных переходов, вызываемых излучением

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным излучением или индуцированным Исходя из термодинамических соображений Эйнштейн доказал, что вероятность вынужденных переходов, сопровождающихся излучением должна быть равна вероятности вынужденных переходов, сопровождаемых поглощением света.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Таким образом вынужденные переходы могут происходить как в одном так и в другом направлении. Вынужденное излучение обладает весьма важными свойствами: Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения вынуждающего излучения, т.е. внешнего излучения, вызвавшего переход. То же относится и к частоте, фазе, поляризации.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучение оказываются строго когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В 50-х годах были созданы устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счет открытого Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 г. Басовым и Прохоровым и независимо от них Таунсом и Вебером были созданы первые молекулярные генераторы, работающие в диапазоне сантиметровых волн (мазеры).

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В 1960 г. Мейман создал подобный прибор в оптическом диапазоне (лазер). Пусть на вещество воздействует свет частоты ω, совпадающий с одной из частот (E n -E m )/ћ атомов вещества. (E n >E m ) Этот свет вызовет два процесса: 1. Вынужденный переход mn 2. Вынужденный переход nm. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй – к увеличению интенсивности падающего пучка.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из процессов преобладает. В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Закон Больцмана можно записать так: Где N-полное число атомов; N i - число атомов, находящихся при температуре T в состоянии с энергией E i. ( для простоты мы предположим, что все энергетические уровни не являются вырожденными, т.е. нет состояний с одинаковой энергией). Из вышеприведенной формулы следует,

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т.е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Следовательно, в системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождение через вещество будет ослабляться.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить населенность энергетических уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность Согласно формуле распределения Больцмана, записанной выше В случае инверсной населенности левая часть этого уравнения будет больше 1

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Распространив формально на этот случай распределение Больцмана, получим для T отрицательное значение. Поэтому состояния с инверсной населенностью называют иногда состояниями с отрицательной температурой.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок при прохождении через вещество будет усиливаться. Создание лазера стало возможным после того как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был примерно 1 см, длина около 5 см. Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные зеркала.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец – таким слоем серебра, который пропускал около 8% упавшей на него энергии. Рубин представляет из себя окись алюминия Al 2 O 3, в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. При поглощении света ионы хрома Cr 3+

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ (В таком виде хром находится в кристалле рубина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~10 -3 с) примерно в 10 5 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии На втором этапе электроны из метастабильного состояния переходят

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ в основное, излучая фотон с λ=6943A. Под действием фотонов такой же длины волны т.е при вынужденном излучении переход ионов хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перехода атомов в возбужденное состояние называется накачкой. На рис. дана схема уровней иона хрома Cr 3+ (уровень 3 представляет собой полосу, образованную совокупностью, близко расположенных уровней).

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ

Возбуждение ионов за счет накачки изображено стрелкой W 13. Время жизни уровня 3 очень мало (10 -8 с). В течении этого времени некоторые ионы перейдут

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой A 31. Однако большинство ионов перейдет на метастабильный уровень 2.(вероятность перехода, изображенного стрелкой S 32, значительно больше, чем перехода A 31 ).

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2 становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, возникает инверсия населенностей уровней 1 и 2. Стрелка A 21 изображает спонтанный переход с метастабильного уровня на основной.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход W 21 ), которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение, и т.д. В результате образуется каскад фотонов. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ

Испытывают многократные отражения от торцов стержня. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, поэтому каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях выходят из кристалла через его боковую поверхность.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (с частотой порядка нескольких импульсов в минуту. Внутри кристалла выделяется большое количество тепла. Поэтому его нужно интенсивно охлаждать.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРЫ В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1963 г. Были созданы первые полупроводниковые лазеры. В настоящее время список лазерных материалов много десятков твердых и газообразных веществ.

ЛАЗЕРЫ Излучение лазеров отличаются рядом замечательных особенностей. Для него характерны: 1. Строгая монохроматичность. 2. Высокая временная и пространственная когерентность. 3. Большая интенсивность. 4. Узость пучка.