Файл: Конспект лекций по общей физики (1-4 семестр).pdf

Спонтанные переходы всегда происходят сверху вниз (т. е. энергия атома уменьшается и излучается фотон).

Коэффициент спонтанного излучения Amn – вероятность спонтанного перехода атома из состояния m в состояние n (m > n).

Если в состоянии m находится Nm атомов, то за время dt в состояние n перейдёт

где N0m – число атомов в состоянии m в начальный момент времени (t = 0). При

Коэффициент вынужденного излучения Bmn – вероятность вынужденного пе-

рехода атома из состояния m в состояние n; коэффициент вынужденного поглощения Bnm – вероятность вынужденного перехода атома из состояния n в состояние m;

Схемы вынужденных переходов представлены на РИС. 41.1А, Б.

Amn, Bmn, Bnm – коэффициенты Эйнштейна.

Рис. 41.1

На РИС. 41.1Б волна а когерентна волне б.

5.8.3. Двухуровневая система

Пусть пучок света проходит через вещество, атомы которого могут находиться в двух состояниях: m и n. Падающий свет будет вызывать два процесса: переходы сверху вниз и снизу вверх. Первый процесс ведёт к усилению света, второй – к ослаблению.

В ТАБЛИЦЕ 41.1 представлены две возможные ситуации заполнения уровней m и n: обычная и инверсная заселённость.

319

5.8.4. Оптический квантовый генератор (лазер)

1. Рубиновый лазер

Рабочее тело – корунд (Al2O3) с примесью 0,03-0,05% хрома (Cr2O3) – рубин. На торцы рубинового стержня нанесено зеркальное напыление, они образуют параллельные зеркала, пропускающие 8% света (РИС. 41.2). Пространство между зеркалами играет роль резонатора. Источник энергии – импульсная ксеноновая лампа (с её помощью происходит оптическая накачка рубина).

Схема энергетических уровней рубина показана на РИС. 41.3.

При накачке ионы Cr3+ переходят из основного состояния 1 в возбуждённое состояние 3. Время жизни этого состояния мало. Так как A32 > A31, большая часть электронов переходит в состояние 2 (время жизни около 10–1 с). Создаётся инверсная заселённость уровней 2 и 1. Электрон может перейти с уровня 2 на уровень 1 (сверху вниз, A21) с излучением фотона. Этот фотон может вызвать вынужденное излучение (B21). Фотоны, двигаясь между зеркальными торцами, создают эффект лавины.

320

2. Гелий-неоновый лазер

В газоразрядной трубке содержится смесь гелия под давлением 1 мм рт. ст. и неона под давлением 0,1 мм рт. ст. На торцах трубки находятся два зеркала, одно из которых полупрозрачно. Источник энергии – газовый разряд.

Рис. 41.4

Энергетическая диаграмма показана на РИС. 41.4. Третий уровень гелия и четвёртый уровень неона совпадают. В результате газового разряда происходит возбуждение атомов гелия (коэффициент Эйнштейна B13) и неона (B14). Столкновения возбуждённых атомов гелия с невозбуждёнными атомами неона приводят к резонансной передаче возбуждения. Так как атомов гелия в 10 раз больше, чем атомов неона, это приводит к резкому увеличению населённости четвёртого уровня гелия. Вместе с быстрым опустошением уровня 3 это создаёт инверсную населённость уровней 4 и 3. Так как резонатор лазера настроен на длину волны λ43, это приводит к созданию лавины фотонов именно этой длины волны.

Свойства лазерного излучения

1.Высокая временная и пространственная когерентность

2.Высокая плотность потока энергии

3. Высокая степень монохроматичности (ширина линии генерации λ ≈ 0,1 Å) 4. Узкая направленность пучка