Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
2°. Явление вынужденного излучения с точки зрения волновой оптики (V. 1.1.1°) означает, что при прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее интенсивность (IV.4.2.4°) увеличивается, т. е. происходит отрицательное поглощение света (отрицательная абсорбция света). При этом сохраняются неизменными частота волны (IV.3.2.50), направление ее распространения, фаза(1У.3.2.5°) и поляризация (IV.4.1.70). Вынужденное излучение строго когерентно (IV.3.5.10) с вызвавшей его проходящей в веществе электромагнитной волной.
3°. С квантовой точки зрения когерентность, указанная в п. 2, означает, что новый фотон, появившийся в результате акта вынужденного излучения, ничем не отличается от фотона, вызвавшего его появление. Новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет, проходящий в среде. На рис. VI.2.6, б показано, что процесс вынуж-
До взаимодействия
После взаимодействия
hv
W2
Ж
а
Поглощение
W2
Ж
б
Вынужденное излучение
Рис. VI.2.6
§ VI.2.6. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
573
денного излучения приводит к появлению вместо одного фотона с энергией hv двух таких же фотонов. Однако кроме индуцированного излучения происходит поглощение света. В результате поглощения фотона атомом, находящимся на энергетическом уровне W1, фотон исчезает, и атом переходит на энергетический уровень W2 (рис. VI.2.6, а). Этот процесс уменьшает интенсивность света, проходящего сквозь вещество.
4°. Среда называется усиливающей (активная среда), если в ней интенсивность проходящего света возрастает. Это означает, что в активной среде процесс вынужденного излучения преобладает над процессом поглощения света. В противном случае, когда главную роль играет поглощение света, среда будет ослаблять проходящее сквозь нее излучение. Усиливающая среда называется также средой с отрицательным поглощением света.
5°. Поглощение света в веществе происходит в соответствии с законом Бугера—Ламберта I = 10е~а х, где а" > 0 — натуральный показатель поглощения, х — толщина поглощающего слоя, Iq — интенсивность света (IV.4.2.4°), входящего в среду (при х = 0),1 — интенсивность света, прошедшего слой толщиной х. Для среды с отрицательным поглощением света справедлив закон Бугера—Ламберта—Фабриканта
I = /0е|а'К
где \а'\ >0 — положительная величина, соответствующая не ослаблению, а усилению света, проходящего через активную среду. Интенсивность света при этом круто возрастает с увеличением толщины слоя среды (рис. VI.2.7). Другими словами, на-
Рис. VI.2.7
Рис. VI.2.8
574 ГЛ. VI.2. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ИХ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
туральный показатель поглощения а' для активной, усиливающей среды является отрицательной величиной.
6°. Между двумя энергетическими уровнями с энергиями Wi и W2 возможны три типа оптических процессов, изображенных на рис. VI.2.8. В условиях, когда можно пренебречь спонтанным излучением, при котором возбужденные атомы (молекулы или ионы) самопроизвольно переходят в нормальное состояние, оптические свойства среды определяются конкуренцией двух процессов — поглощения и вынужденного излучения. Число актов поглощения пропорционально концентрации частиц Nj с энергией Wi, находящиеся на нижнем энергетическом уровне. Число актов вынужденного излучения пропорционально концентрации частиц N2 на верхнем энергетическом уровне. Натуральный показатель поглощения а' в законе Бугера—Ламберта—Фабриканта (п. 5°) пропорционален разности между числом актов поглощения и вынужденного излучения:
U^k(N1-N2),
где k > 0 — коэффициент пропорциональности.
7°. В состоянии термодинамического равновесия системы (11.1.3.3°) N2 < Ni и а' > 0. Это означает, что число актов поглощения обычно превышает число переходов, сопровождающихся индуцированным излучением. Для получения среды с отрицательным натуральным показателем поглощения необходимо создание неравновесного состояния системы, при котором JV2 > N1. Такие состояния называются инверсными (обращенными) состояниями. При этом число актов вынужденного излучения превышает число актов поглощения света.
8°. Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) (генераторами когерентного света (ГКС)) называются источники света, работающие на основе эффекта вынужденного излучения в активной среде с инверсной заселенностью энергетических уровней (п. 7°). ОКГ, работающие в оптическом диапазоне, называются лазерами, генераторы когерентного излучения, работающие в диапазоне ультракоротких радиоволн, называются мазерами.
9°. Процесс перевода среды в инверсное состояние (п. 7°), необходимое для работы ОКГ (п. 8°), называется накачкой у си-
§ VI.2.6. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
575
ливающей среды. Практически накачка осуществляется по трехуровневой схеме ОКГ. Одним из первых ОКГ, работающих по трехуровневой схеме, был генератор с рубиновым кристаллом в качестве усиливающей среды (окись алюминия Al2O3 с примесью окиси хрома Cr2O3). В кристаллической решетке окиси алюминия часть атомов Al заменена ионами Cr3+, которые служат активным веществом, осуществляющим переходы с вынужденным излучением. Схема энергетических
