Лекция. Вынужденное излучение

реклама
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 (En-Em)/ћ атомов
вещества. (En>Em)
• Этот свет вызовет два процесса:
• 1. Вынужденный переход m→n
• 2. Вынужденный переход n→m.
• 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:
Ni 
N exp(  Ei / kT )
E
 C exp(  i )
kT
 exp(  E j / kT )
j
• Где N-полное число атомов; Ni- число
атомов, находящихся при температуре T в
состоянии с энергией Ei. ( 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
Nn
En  Em
 exp( 
)
Nm
kT
• 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 Al2O3, в которой некоторые из
атомов алюминия замещены атомами
хрома.
• При поглощении света ионы хрома Cr3+
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 (~10-3с)
примерно в 105раз 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 Cr3+(уровень 3 представляет
собой полосу, образованную
совокупностью , близко
расположенных уровней).
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ЛАЗЕРЫ
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ЛАЗЕРЫ
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ЛАЗЕРЫ
• Возбуждение ионов за счет накачки
изображено стрелкой W13. 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 A31.
• Однако большинство ионов перейдет
на метастабильный уровень
2.(вероятность перехода,
изображенного стрелкой S32,
значительно больше, чем перехода
A31).
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 A21 изображает спонтанный
переход с метастабильного уровня
на основной.
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ЛАЗЕРЫ
• Излученный при этом фотон может вызвать
вынужденное испускание дополнительных
фотонов (переход W21), 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
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.
Скачать