1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 108
Текст из файла (страница 108)
Г(ы)йо дает ту долю полного числа переходов между данными уровнями, для которой частота лежит а интервале между ы и ы+Йо). ~рассмотрим связь коэффициентов Эйнштейна с макроскопическими оптическими параметрами среды. Пусть в разреженной среде распространяется параллельный пучок монохроматического излучения с частотой ы, лежащей в пределах контура спектральной линии для каких-либо двух уровней энергии атомов среды. Изменение числа оМ фотонов в потоке при прохождении слоя толщиной ах=са1 за счет процессов поглощения н вынужденного испускания в соответствии с (9.311 и (9.32) равно йМ=(М,„— М,Вп)(/Г(о) йх/ .
(9.36) Вкладом спонтанного испускания в направленный зондирующий поток можно пренебречь, так как спонтанное излучение распространяется по всем направлениям и в фиксированное направление рассматриваемого пучка попадает ничтожная его часть. Формула (9.36) позволяет выяснить, какие условия необходимы для непосредственного экспериментального обнаружения вынужденного испускания. Так как Вю=Впь то аМ=(Мо — М1)Вы(/Г(ы) ах/с и видно, что при распространении зондирующего пучка поглощение преобладает над вынужденным испусканием и интенсивность пучка убывает во всех случаях, когда Мо(Мь т.
е. число возбужденных атомов меньше числа атомов в основном состоянии. Так обычно и обстоит дело, если пучок распространяется в среде, находящейся в состоянии термодинамического равновесия или близком к нему. Чтобы наблюдать нарастание интенсивности зондирующего пучка (отрицательное поглощение) и тем самым экспериментально выявить вынужденное непускание, необходимо создать в среде неравновесное состояние, при котором число атомов иа более высоком энергетическом уровне было бы больше, чем на низком (Мо ~М1). Первая попытка обнаружить вынужденное испускание в видимой области спектра на опыте в парах ртути, возбужденных электрическим разрядом в неравновесное состояние, была предпринята В. А.
Фабрикантом (1939 г.). Им же впервые была высказана идея использования вынужденного излучения для усиления света. Найдем закон изменения интенсивности пучка по мере его распространения в среде. Средняя плотность потока энергии 5 волны равна произведению объемной плотности (/ на скорость света: 5=с(/. Так как изменение потока фотонов на интервале ах равно соМ, то изменение потока энергии й5 на том же отрезке ах рав- но ЬысбМ. Умножая обе части равенства (9.36) на йыс, найдем 65=(йы/с) (Мо — М~)ВпГ(ы)5йх, (9.36) откуда а5/ах = — а5(х), а = — — (Ьы/с) (Мо — М~ ) В п Г(ы). .(9.37) тех случаях, когда в среде выпол- В нено условие Мо)Мь известное как инверсия населенностей, в (9.37) а(0 (отрицательный коэффициент поглощения) и интенсивность волны в соответствии с (9.38) нарастает по мере ее распространения. Усиление падающего пучка света осуществляется за счет того, что при Мо)М| переходы с вынужденным испусканием фотонов происходят чаще, чем переходы с поглощением.
Так как возникающие при вынужденном испускании фотоны тождественны с фотонами, вызвавшими испускание, когерентные свойства исходного пучка полностью сохраняются. Таков принцип действия квантового усилителя излучения. Различные способы создания необходимой для его работы среды с инверсией населенностей (активной среды) рассмотрены в $9.4. Важно отметить. что для создания активной среды всегда требуется подведение извне дополнительной энергии, которая затем при вынужденном испускании частично преобразуется а энергию усиливаемого электромагнитного излучения.
Квантовый усилитель можно превратить в генератор излучения, если ввести в нем положительную обратную связь. Для этого часть выходящего из усилителя излучения должна возвращаться в активную среду. Тогда отпадает необходимость во входном сигнале, так как происходит самовозбуждение системы.
Обратную связь можно осуществить, помещая активную среду в резонатор, образованный двумя параллельными зеркалами. Бурно развивающаяся область науки и техники, занимающаяся исследованием и применением квантовых явлений для усиления, генерации и преобразования когерентного излучения, называется кеангоеой электроникой. Действие приборов квантовой электроники основано на явлении вынужденного излучения при квантовых переходах электронов, входящих в состав атомов, ионов, молекул и кристаллов. Если населенности уровней М1 и Мо не зависят от х (однородная среда), то решение уравнения (9.37) имеет вид 5(х)=5о ехр( — ах).
(9.38) Здесь 5о — плотность потока энергии зондирующею пучка при х=О. Если а)0, что бывает при Мо(Мь то поток энергии экспоненциально убывает по мере распространения пучка. Мы приходим к закону Бугера (2.29), а формула (9.37) выражает коэффициент поглощения а через коэффициент Эйнштейна Вп и населенности уровней М~ и Мь Контрольные вопросы т С) Как подсчитать число различима нормальных колебаний электромагнитного поля в кубической полости, приходящихся на интервал частот от ы до ы+бы? )З Получите формулу Планка для спектральной плотности равновесного излучения, рассматривая излучение в полости как совокупность стоячих волн (нормальиык колебаний). С) Покажите, что прн экспоненпиальном распаде вснбуждеиного состояния по закону (9.30) вследствие спонтанного излучения среднее время жизни возбужденного атома равно г=1/Ан.
П Зависят ли коэффипиенты Эйнштейна Ам. Вм, Вм от спектральной плотности действующего на атом поля излучения? С) Укажите основные моменты вывода формулы Планка по Эйнштейну. Почему при этом необходимо предположить существование вынужденного излучения? П Как связаны между собой коэффипиенты Эйнштейна Ам, Вж и Вн? Почему эта связь, полученная для частного случая теплового равиовесйя, справедлива всегда? П Какими свойствами карактеризуется вынужденное излучение? Сравните его со спонтанным излучением. Ю При каких условияк возможно нарастание интенсивности пучка моиохроматнческого света по мере его распространения в среде? Поясните иринпип действия кави~оного усилителя. й.ж назары Принцип работы лазера*, или оптического квантового генератора (ОКГ), основан на трех фундаментальных идеях„родившихся в разное время в различных областях физики.
Первая идея связана с использованием вынужденного испускания света атомными системами, открытого Эйнштейном в 1917 г. при теоретическом изучении некогерентного теплового излучения. Как показал Дирак, испускаемые при этом фотоны неотличимы от тех, что вызвали испускание. Вторая идея заключается в применении термодинамически неравновесных систем, в которых возможно усиление, а не поглощение света. Она была высказана В.
А. Фабрикантом в 1940 г. Третья. идея, беругцая начало в радиофизике, состоит в использовании положителвной обратной связи для превращения усиливающей системы в генератор когерентного излучения Первые квантовые генераторы, работающие з микроволновом диапазоне (мазеры), были созданы в 1954 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Гордоном, Цайгером и Таунсом в США. Активной средой в них служил пучок молекул аммиака; инверсия населенностей на рабочем переходе достигалась пространственным разделением молекул в различных квантовых состояниях при прохождении пучка через неоднородное электрическое поле. За разработку попого принципа усиления и генерации электромагнит- * 1ЗИЬ1 Ашрпнсаноп Ь> 5пгпн1а1еб Гшнжюп о1 Иажаноп — усиление света индуиированным испусканием излучения.
ных волн и создание первых молекулярных генераторов когерентного микроволнового излучения Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия !964 г. по физике. Первый оптический квантовый генератор (лазер), работающий в импульсном режиме, был создан в !960 г. Мейманом. Активной средой в нем служил стержень из кристалла рубина, возбуждаемый светом от лампы-вспышки. Годом позже Джаваном, Беннетом и Эрриотом был построен первый лазер непрерывного действия с газообразной активной средой (смесь неона и гелия). Исключительные свойства когерентного лазерного излучения, коренным образом отличающие его от некогерентного излучения традиционных для оптической области тепловых, газоразрядных и люминесцентных источников света, обусловили бурное развитие лазерной техники и широкое применение лазеров в научных исследованиях и в практике.
Б настоящее время существует много типов лазеров, отличающихся способами возбуждения активной среды, спектральной областью, мощностью, временнйми и спектральными характеристиками излучения и т. п. Существуют разные способы получения необходимой для работы лазера усиливающей излучение активной среды.
Преобладание процессов вынужденного излучения над поглощением осуществляется при инверсии населенностей (А?э~Ж1) рабочих уровней энергии е~ и вт (см. 5 9.3). В импульсных твердотельных лазерах используется оптическая накачка светом мощной газоразрядной лампы-вспышки. В полупроводниковых лазерах непрерывного действия неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через р-п-переход. В газовых лазерах атомы или ионы рабочею вещества возбуждаются в условиях электрического разряда.
Во всех случаях затраченная на это энергия внешнего источника в конечном свете частично преобразуется в энергию когерентного излучения. Для осуществления положительной обратной связи часть генерируемого излучения должна оставаться внутри рабочего вещества и вызывать вынужденное непускание все новыми и новыми возбужденными атомами. С этой целью активную среду помещают в оптический резонатор (см. $6.4), образованный двумя параллельными плоскими или сферическими зеркалами, одно из которых полупрозрачно.
Возникшая в каком-либо месте в результате спонтанного излучения возбужденного атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении через активную среду. Эффективно усиливаются только те волны, направление распространения которых совпадает с осью резонатора, так как при всех других направлениях волна быстро покидает пределы активной среды.
Дойдя до полупрозрачного зеркала, вол- на частично выходит наружу, а частично отражается назад. Отра женная волна, проходя вдоль резонатора от одного зеркала до другого путь У. через активную среду, в соответствии с форму- ййй лой (9.33) усиливается в ехр( — аЛ) раз, где ( — а) — коэффициент усиления (9.37). Отразившаяся от второго зеркала волна снова на длине резонатора усиливается в ехр( — аЛ) раз и опять падает на полупрозрачное зеркало.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
