Что такое вынужденное излучение атомов какими свойствами оно обладает
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 ℰiна более низкий ℰk:
ℰi ─ ℰk= ,
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 ℰiи ℰk (когда населённость верхнего уровня ℰiбольше населённости нижнего уровня ℰk) число процессов вынужденного излучения преобладает над числом процессов поглощения и интенсивность излучения частоты (ℰi – ℰk)/ 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.
Вынужденное излучение является основой квантовой электроники – области физики, изучающей методы усиления, генерации и преобразования частоты электромагнитных колебаний и волн. Предложение об использовании вынужденного излучения для усиления света было сделано В.А.Фабрикантом в 1940 г. В 1954 г. вынужденное излучение было использовано для усиления электромагнитных волн в микроволновом диапазоне. Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым (СССР) и независимо от них Ч.Таунсом (США) был создан квантовый генератор на молекулах аммиака. Устройства этого типа получили название мазеров. Мазер[Maser – аббревиатура от английских слов: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление микроволн при помощи индуцированного излучения] – квантовые генераторы и усилители, работающие в радиодиапазоне. В 1955 г. Н.Г.Басов и А.М.Прохоров предложили меод достижения инверсии населенностей при помощи электромагнитной накачки. На этой основе в 1960 г. Т.Мейман (США) создал твердотельный лазер на кристалле рубина, работающий в оптическом диапазоне.
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?
Литературные источники:
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
1). Вынужденное излучение распространяется строго в том же направлении, что и излучение, его вызвавшее.
2). Фаза волны вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны.
3). Вынужденное излучение линейно поляризовано, с той же плоскостью поляризации , что и падающее излучение.
Т.о. вынужденное излучение при распространении в веществе отличается от спонтанного излучения ничтожно малой расходимостью пучка, а также когерентностью и линейной поляризацией волны.
Среды с инверсной заселённостью энергетических
Уровней
В соответствии с законом Бугера
I(X) = IO . exp(- μx) , где
I (X) – интенсивность излучения в веществе на глубине х > 0;
IO – интенсивность излучения на входе в слой вещества;
μ – коэффициент поглощения вещества.
Для сред, поглощающих излучение, коэффициент μ положителен, но существует возможность создавать среды, усиливающие вынужденное излучение, т.е. с отрицательным коэффициентом μ .
Такие среды должны иметь инверсную заселённость энергетических уровней, т.е. число атомов в возбуждённом состоянии в среде превышает число атомов в основном состоянии. На пути фотонов в этом случае чаще встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии. Поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще чем их поглощение.
При прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной заселённостью уровней поток света не ослабляется, а усиливается.
В обычном равновесном состоянии вещества всегда N1 > N2 . Такое состояние вещества называется состоянием с нормальной заселённостью энергетических уровней.
Для создания активной среды с инверсной заселённостью энергетических уровней необходимы специальные условия, обеспечивающие дополнительную генерацию возбуждённых атомов.
Квантовые генераторы
В первом приборе квантовой электроники – молекулярном генераторе активной средой являлся пучок молекул аммиака NН3 , из которого с помощью сложного квадрупольного конденсатора выводились молекулы с меньшей энергией, а обогащённый возбуждёнными молекулами пучок представлял собой активную среду. В объёмном резонаторе, взаимодействуя с молекулярным пучком, вынужденное излучение частотой ν = 24840 МГц усиливалось.
Молекулярные квантовые генераторы такого типа, работающие в СВЧ диапазоне, получили название мазеров. Они применяются в радиолокаторах,
радиотелескопах, линиях космической связи, в устройствах для измерения частоты колебаний и промежутков времени с высокой точностью.
В 1960 г. был создан оптический квантовый генератор, получивший название лазер.
Обычно в возбуждённом состоянии атомы находятся лишь 10-9 – 10-7с. Однако некоторые атомы имеют возбуждённые состояния, в которых они могут находиться довольно длительное время, например, 10-3с. Такие состояния называются метастабильными.
Процесс перевода среды в инверсное состояние, необходимое для работы ОКГ, называется
накачкой усиливающей среды.
Практически накачка осуществляется по
трёхуровневой схеме.
В первом лазере, работающем по трёхуровневой схеме был генератор с рубиновым кристаллом в качестве усиливающей среды ( Al2O3 c примесью Cr2O3 ). Активным веществом служили ионы Cr3+.
Ближайшими к основному уровню С в Cr3+ являются две широкие энергетические зоны А и двойной метастабильный уровень В.
Интенсивное облучение рубина зелёным светом мощной импульсной лампы накачки, наполненной неоном и криптоном переводит ионы хрома на уровни зоны А, откуда происходят безизлучательные переходы на уровни В. Избыток энергии передаётся кристаллической решётке рубина. В результате создаётся инверсная заселённость ионами хрома уровней В и оптический квантовый генератор работает на двух линиях красного света λ = 692,7 нм и λ = 694,3 нм , соответствующих переходу ионов хрома с уровней В на уровень С .
Лавинообразное нарастание интенсивности в активной среде означает, что такая среда действует как усилитель электромагнитных волн.
Эффект усиления света в ОКГ увеличивается при многократном прохождении света через один и тот же слой усиливающей среды.
Фотон, движущийся параллельно оси активной среды 1 , рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины (~8%) пройдёт через полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть (92%) отразится и будет нарастать в активной среде. Часть лавины фотонов, дошедших до сплошного зеркала 2 , поглотится в нём, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный затравочный фотон. Многократно усиленный поток фотонов, вышедший из ОКГ сквозь полупрозрачное зеркало 3 , создаёт пучок света большой интенсивности, остро направленный, с малым расхождением.
Опыт показывает, что генерация света возникает только при определённой длине резонатора ( расстоянии между зеркалами ) кратному целому числу полуволн
.
В этом случае на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т.е. в резонаторе образуется стоячая волна.
Мощность светового излучения импульсного лазера (время высвечивания 10-8 – 10-10с ) может быть более 109Вт т.е. превышать мощность крупной электростанции.
ВОПРОСЫ К РУБЕЖНОМУ КОНТРОЛЮ
1. Законы теплового излучения:
1.1 Кирхгофа;
1.2 Вина;
Стефана-Больцмана.
2. Квантовые свойства излучения:
2.1 Гипотеза Планка;
2.2 Формула Планка;
2.3 Вывод законов Вина и Стефана-Больцмана из формулы Планка;
2.4 Фотоэффект (законы Столетова и уравнение Эйнштейна);
2.5 Эффект Комптона;
Источник
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.
3. Большой интенсивностью
4. Узостью пучка.
Источник