Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучения

 

Атомы и молекулы могут находится в квантовых состояниях только с дискретными значениями энергий  и

Рассмотрим простейший случай с двумя состояниями энергий  и

 

Между двумя энергетическими уровнями возможны три типа оптических процессов:

 

 

- Атом, находясь в основном состоянии 1 под действием внешнего излучения может осуществить вынужденный переход, поглотив фото

Этот процесс уменьшает интенсивность света, проходящего через вещество. Вероятность таких переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

 

Рассмотрим процесс спонтанного излучения:

- Атом, находясь в возбужденном состоянии с энергией Е2 может через некоторое время спонтанно перейти на основной энергетический уровень с энергией , испустив при этом фотон:

Спонтанным или самопроизвольным излучением называется процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий.

При этом, чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии.
так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение является не когерентным

 

           -Атом, находясь в возбужденном состоянии 2 может с некоторой вероятностью под действием внешнего излучения с частотой, удовлетворяющей условию  перейти в основное состояние 1 с излучением фотона такой же энергией. При таких переходах происходит излучение атомов фотона с энергией , дополнительно к тому фотону, под действием которого происходит данный переход.

Излучение, возникающее в результате перехода, приводящего к появлению вместо 1 фотона 2 таких же фотонов, называется вынужденным, или индуцированным.

В результате вынужденного излучения интенсивность света, проходящего через вещество, увеличивается.

Вынужденное излучение является когерентным с вызывающей его проходящей через вещество электромагнитной волной, то есть имеет такую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. В дальнейшем испущенные атомом фотоны стимулируют последующие индуцированные переходы и число фотонов начинает расти лавинообразно. Однако одновременно с вынужденным излучением существует конкурирующий процесс – процесс поглощения.

Число актов поглощения пропорционально концентрации частиц , находящихся в состоянии  на нижнем энергетическом уровне.

Число актов вынужденного излучения пропорционально концентрации , находящихся на верхних энергетических уровнях с

В системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, число актов поглощения больше числа переходов, сопровождающихся вынужденным излучением.

В результате падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться; чтобы среда усиливала падающее на неё излучение, надо создать неравновесное состояние системы, при котором . Такие состояния называются инверсными.

Процесс перевода системы в инверсное состояние называется накачкой. В среде в инверсном состоянии вынужденное излучение может превышать поглощение, в следствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться.

Они называются активными.

Открытие способов усиления света легло в основу квантовой электронике.

Лазеры

 

Лазер – это устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.

Действие лазера основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля.