Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Принцип работы лазеров



► Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Рассмотрим атом, находящийся в поле равновесного из­лучения. Если атом находится в состоянии с энергией , то под воздей­ствием излучения он может перейти в состояние с большей энергией , поглотив при этом световой квант с частотой (рис.95). Такой процесс называют вынужденным (индуцированным) поглощени­ем. Вероятность такого перехода в единицу времени пропорциональна плотности энергии излучения на частоте ω:

Обратный переход, из состояния с большей энергией в состояние с мень­шей энергией, связан с рождением и излучением кванта частоты ω. Он может происходить двумя способами. Первый тип переходов называ­ется спонтанным излучением, он происходит и в отсутствие внешнего излучения (при иω = 0), и его вероятность от иω не зависит

Второй тип переходов называется вынужденным излучением, он про­исходит под воздействием кванта частоты ω. Вероятность перехода в единицу времени, как и для вынужденного поглощения, пропорци­ональна иω:

Введенные таким образом коэффициенты , , называются коэффициентами Эйнштейна, они не зависят от температуры излуче­ния.

► Равновесие между атомами и излучением. Пусть в объеме, заполненном равновесным излучением при температуре Т, находятся одинаковые атомы. Будем считать, что установилось тепловое равно­весие между атомами и излучением, при этом среднее число атомов в состоянии I равно Ni а в состоянии j равно Nj. Эти числа при температуре Т связаны между собой соотношением Больцмана:

.

В состоянии равновесия число переходов из i в j должно быть равно числу обратных переходов:

  (39)

Из соотношения Больцмана следует, что при . Учитывая, что при этом , получаем, что . Выразим из (39) иω:

  (40)

(мы учли, что . Видно, что мы фактически выве­ли формулу Планка для равновесного излучения. Отношение может быть получено из условия, что при высоких температурах дол­жна быть верна классическая формула Рэлея – Джинса:

.

Посмотрим на это соотношение с иной точки зрения. Учитывая (38) для числа квантов с определенной частотой, запишем (40) в виде

Следовательно, отношение вероятности вынужденного излучения к ве­роятности спонтанного излучения равно числу квантов частоты ω. Можно сказать иначе: вероятность вынужденного излучения в расчете на один квант равна вероятности спонтанного излучения. Видно, что спонтанное и вынужденное излучение должны быть одной природы.

Объяснение (качественное) состоит в том, что даже в отсутствие в си­стеме световых квантов в полости существуют так называемые нулевые колебания электромагнитного поля данной частоты (энергия осцилля­тора в квантовой механике равна ). Именно эти колебания и являются причиной спонтанных переходов.

► Инверсная заселенность уровней. В каждом акте вынужден­ного излучения происходит образование нового кванта, причем рож­денный квант имеет такую же фазу, как квант, вызвавший это излу­чение. Иначе говоря, вместо одного кванта в системе появляются два когерентных кванта. Каждый из этих квантов может в свою очередь вызвать появление нового когерентного кванта и т.д. Таким образом может происходить усиление когерентного излучения. Однако вновь рожденные кванты поглощаются атомами, находящимися в более низ­ком из двух энергетических состояний. В равновесном состоянии число атомов в нижнем состоянии (населенность нижнего уровня) выше, чем в верхнем. Следовательно, поглощение будет превалировать над вынужденным излучением, и усиление оказывается невозможным.

Для того чтобы усиление когерентного луча стало возможным, на­до создать метастабильное состояние, обладающее инверсной населен­ностью уровней. Тогда усиление потока квантов будет происходить по формуле

  (41)

где , – концентрации атомов, – сечение вынужденного поглощения или излучения, – коэффициент квантового усиления среды.

Для создания инверсной населенности используются различные методы накачки. Самыми распространенными являются трехуров­невые и четырехуров­невые схемы (рис.96). В трехуровневой схеме (рубиновый лазер) происходит интенсивная накачка с нижнего уровня 1 на широкий короткоживущий уровень 3, с которого происходит заполнение долгоживущего (метастабильного) уровня 2. Необходимо добиться, чтобы населенность верхнего рабочего уровня 2 превысила населенность нижнего рабочего уровня 1. Трудность состоит в том, что изначально населенность уровня 2 много меньше населенности


[1] Законы фотоэффекта были открыты Столетовым.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.