Файл: Лекция 22. Элементы физики лазеров 22 Спонтанные и вынужденные переходы.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 42
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лекция 22. Элементы физики лазеров
22.1. Спонтанные и вынужденные переходы
Как мы уже знаем, атомы могут находиться только в некоторых дискретных энергетических состояниях, т.е. иметь определенные значения энергии Е1, е2, е3 … Изменение энергии атома – это фактически изменение энергии электронов этого атома. Такое изменение энергии может происходить только в том случае, если электрон либо отдает какую-то часть своей энергии в окружающее пространство, либо, наоборот, принимает ее из окружающего пространства. При этом, как мы помним, выполняется условие, сформулированное Бором в виде второго постулата. В первом случае атом испускает квант энергии, во втором – поглощает его. Сейчас мы будем рассматривать закономерности этих процессов – испускания и поглощения света атомами.
Для простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е1и E2. Такую систему называют двухуровневой. Когда атом находится в основном состоянии 1, с энергией Е1, он может поглотить квант внешней энергии hν, если при этом будет выполняться условие второго постулата Бора
hν = E2 – Е1. (22.1)
Лекция 22. Элементы физики лазеров
22.1. Спонтанные и вынужденные переходы
Как мы уже знаем, атомы могут находиться только в некоторых дискретных энергетических состояниях, т.е. иметь определенные значения энергии Е1, е2, е3 … Изменение энергии атома – это фактически изменение энергии электронов этого атома. Такое изменение энергии может происходить только в том случае, если электрон либо отдает какую-то часть своей энергии в окружающее пространство, либо, наоборот, принимает ее из окружающего пространства. При этом, как мы помним, выполняется условие, сформулированное Бором в виде второго постулата. В первом случае атом испускает квант энергии, во втором – поглощает его. Сейчас мы будем рассматривать закономерности этих процессов – испускания и поглощения света атомами.
Для простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е1и E2. Такую систему называют двухуровневой. Когда атом находится в основном состоянии 1, с энергией Е1, он может поглотить квант внешней энергии hν, если при этом будет выполняться условие второго постулата Бора
hν = E2 – Е1. (22.1)
| В результате этого процесса, называемого поглощением, энергия электрона (и атома в целом) увеличится с Е1до E2. Состояние электрона в атоме, при котором его энергия минимальна, называется основным состоянием, а все остальные возможные энергетические состояния – возбужденными состояниями. При этом, очевидно, квант внешней энергии исчезает. |
Возбужденное состояние атома, если не принять определенных мер, является неустойчивым. Через некоторый промежуток времени (обычно это 10-8 секунды) атом без каких-либо внешних воздействий переходит в состояние с меньшей энергией (в нашем случае – в состояние Е1), отдавая избыток энергии в виде светового кванта (22.1).
| Процесс перехода атома из состояния с энергией E2 в состояние с меньшей энергией Е1, сопровождающийся испусканием кванта энергии hν = E2 – Е1, называется спонтанным (т.е. самопроизвольным) излучательным переходом. |
Под термином квант энергии мы будем иметь в виду световой квант, т.е. фотон.
Важной особенностью процессов спонтанного испускания, непрерывно происходящих в двухуровневой атомной системе при ее освещении поглощающимся светом, является то, что все рождающиеся фотоны не когерентны между собой. Кроме излучения кванта hν, атом может передать избыток энергии E2 – Е1 кристаллической решетке, При этом амплитуда колебаний каких-то атомов решетки увеличится, а электрон перейдет в состояние Е1, т.е. его энергия уменьшится. Этот процесс называется спонтанным безызлучательным переходом. Наглядно эти три рассмотренных процесса изображаются на энергетических диаграммах следующего вида (рис. 22.1) – процессы 1, 2 и 3.
Рис. 22.1. Возможные энергетические процессы в
двухуровневой атомной системе
1 – поглощение; 2 – спонтанное излучение; 3 – безызлучательный переход
Промежуток времени между процессами 1 и 2 составляет, как уже было сказано, примерно 10-8 секунды. В течение этого промежутка времени атом находится в возбужденном состоянии. Если за это время в сферу взаимодействия с атомом попадет еще один квант света, то может произойти, в принципе, один из двух возможных процессов.
-
Квант может поглотиться каким-то другим атомом, т.е. повторится процесс 1, но в другом атоме. В возбужденном состоянии будут находиться два атома, в которых, через некоторое время, осуществятся процессы типа 2 – спонтанное испускание двух некогерентных квантов света. -
В атоме, уже находящемся в возбужденном состоянии, осуществится процесс типа 4 – электрон перейдет в состояние Е1, при этом избыток энергии излучится в виде кванта света hν = E2 – Е1.
Процесс 4 отличается от процесса 2 тем, что при этом первичный фотон, вызвавший процесс типа 4, никуда не исчезает, т.е. в результате процесса возникают два фотона с одной и той же частотой ν = (E2 – Е1)/ h.
| Этот процесс называют вынужденным (или индуцированным) испусканием. Важной особенностью процесса вынужденного испускания является то, что оба возникающих фотона когерентны друг другу, т. е второй фотон является точной копией первого – имеет такую же частоту, фазу, плоскость поляризации и направление распространения. |
Таким образом, процессы 2 и 4 принципиально различные. В первом случае возникающие кванты взаимно некогерентны, во втором случае – взаимно когерентны. Т.к. оба этих процесса в принципе могут произойти и происходят, то возникает вопрос – какие из них происходит чаще, какие реже?
Ответ такой – вероятность процесса пропорциональна числу его участников. Если в рассматриваемой атомной системе в основном состоянии Е1 находится больше атомов, чем в возбужденном состоянии E2, то чаще будут происходить процессы типа 2 – поглощения света и последующего спонтанного испускания взаимно некогерентных квантов.
Если же, наоборот, в возбужденном состоянии E2 находится больше атомов, чем основном состоянии Е1, в системе будут преобладать процессы типа 4 – вынужденного излучения взаимно когерентных квантов.
В равновесных системах атомов большинство электронов находится в низших энергетических состояниях, в соответствие со статистикой Больцмана.
(22.2)Если E2 > Е1, то из (22.2) следует, что n2 <n1. Следовательно, в равновесных атомных системах процессы поглощения света преобладают над процессами вынужденного излучения. Наоборот в (22.2) получается только, если аргумент экспоненты (выражение в квадратных скобках) будет не отрицательным, а положительным. Это соответствует отрицательной абсолютной температуре.
Но мы можем практически создать такие условия, при которых n2 >n1. Для этого нам надо увеличить эффективность процесса поглощения света, процесса типа 1 настолько, что в возбужденном состоянии электронов станет больше, чем в основном состоянии. Это воздействие принято называть накачкой. Конечно, этот процесс не может продолжаться до бесконечности, но, в зависимости от интенсивности накачки, можно получить более или менее выраженное преобладание возбужденных атомов над невозбужденными.
| Такое состояние атомной системы называют состоянием с инверсной населенностью атомов, а такжесостоянием с отрицательной температурой. |
Еще одно название среды с инверсной населенностью -
активная среда.
22.2. Квантовое усиление и квантовая генерация света
Зачем нам нужно создавать состояние с инверсной населенностью атомов? Впервые на этот вопрос в 1938 году ответил выдающийся советский физик Валентин Александрович Фабрикант. В 1964 году он получил диплом об открытии № 12 с приоритетом от 1951 года "Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления индуцированного испускания". Он является лауреатом Сталинской премии 1951 года за разработку люминесцентных источников света.
 Рис. 12.2. В.А. Фабрикант (1907 – 1991) | В чем сущность открытия В.А. Фабриканта? Представим себе среду, в которой нам удалось создать инверсную населенность атомов. Для этого мы непрерывно возбуждаем атомы среды накачкой энергии от внешнего источника – мощной лампы, мощного электрического разряда, или другими способами. В этой среде непрерывно происходят процессы поглощения энергии накачки и процессы спонтанного испускания, но, тем не менее, соотношения n2 >n1 и E2 > Е1 всегда выполняются. Если в такую среду запустить квант света |
hν, для которого среда удовлетворяет условию Em – Еn, = hν, где Em и Еn – два энергетических состояния атомов среды и m>n, то вероятность того, что этот квант вызовет вынужденное излучение второго кванта, когерентного первому, будет больше вероятности поглощения этого кванта.
Рис. 22.3. Принцип работы квантового усилителя
Дальнейшее движение двух когерентных квантов вызовет появление еще двух квантов, когерентных с этими, и процесс увеличения числа когерентных квантов, движущихся в одном направлении, будет лавинообразно нарастать в геометрической прогрессии. Мы получим усиление когерентного светового потока, основанное на особенностях среды с инверсной населенностью атомов (рис. 22.3).
Следующий шаг в направлении создания квантовых источников был сделан в 1963 году советскими физиками Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым и американским физиком Чарльзом Хардом Таунсом, за что им в 1964 году была присуждена Нобелевская премия.
 Н.Г. Басов (1922-2001) |  А.М.Прохоров (1916 - 2002) |  Ч.Таунс (1915 - 2015) |
Рис. 12.4. Изобретатели оптического квантового генератора
В чем же новизна работы этих трех физиков? Давайте представим еще раз сущность открытия Валентина Александровича Фабриканта. Мы можем усилить входящий в активную среду световой поток сколь угодно, но для этого нам понадобится активная среда большой протяженности. Степень усиления светового потока пропорциональна длине пути, проходимого этим потоком в активной среде. Но если мы заставим проходить пучок один и тот же участок пространства активной среды несколько раз, то мы можем резко сократить общую протяженность активной среды (рис. 22.5). Мощность светового потока на выходе активной среды будет возрастать, и квантовый усилитель превратится в квантовый генератор.
Рис. 22.5. Принцип работы оптического квантового генератора (лазера)
Точно такое же явление наблюдается в радиотехнике. Если на вход усилителя переменного электрического сигнала подать напряжение с выхода усилителя, то, при определенных условиях (фазы входного и выходного сигналов совпадают) произойдет лавинообразное нарастание мощности выходного сигнала, и усилитель превратится в генератор переменного тока. Это явление называется положительной обратной связью в усилителе.
Как практически осуществить положительную обратную связь в активной среде? Активная среда помещается между двумя плоскопараллельными зеркалами. Свет на выходе из активной среды отражается от зеркала и проходит этот же путь в активной среде в обратном направлении, затем отражается от зеркала на другой стороне активной среды, и снова идет по этому же пути, и этот процесс повторяется все время. Систему их двух зеркал называют резонатором. Кроме создания в лазерной системе положительной обратной связи, резонатор выполняет еще одну важную роль – формирует выходной пучок с малой расходимостью. В некоторых конструкциях лазеров оба зеркала делаются полностью отражающими световой поток, но в одном из зеркал делается маленькое отверстие для выхода света.