Spontana in inducirana emisija. Inducirani in spontani prehodi. Spontane in povzročene mutacije

Prehod vzbujenega sistema (atoma, molekule) z višjih energijskih ravni na nižje se lahko zgodi spontano ali inducirano.

Spontani je spontan (neodvisen) prehod, ki ga povzročijo dejavniki, ki delujejo znotraj sistema in so zanj značilni. Ti dejavniki določajo povprečni čas, ko sistem ostane v vzbujenem stanju; po Heisenbergovi relaciji (glej § 11),

Teoretično ima lahko ta čas različne vrednosti znotraj:

to je odvisno od lastnosti sistema - širjenja energijskih vrednosti vzbujenega stanja (povprečna vrednost časa, preživetega v vzbujenem stanju, se običajno vzame kot značilnost sistema, odvisno od povprečne vrednosti. Ena upoštevati tudi vpliv na sistem okoliškega prostora (»fizični vakuum«), v katerem tudi v odsotnosti elektromagnetnega valovanja obstaja po kvantna teorija, nihajoče polje (»vakuumska nihanja«); to polje lahko spodbudi prehod prebujenega sistema na nižje nivoje in ga je treba uvrstiti med neodstranljive dejavnike, ki povzročajo spontane prehode.

Induciran je prisilen (spodbujen) prehod v energijsko nižje stanje, ki ga povzroči zunanji vpliv na vzbujeni sistem: toplotni trki, interakcija s sosednjimi delci ali elektromagnetno valovanje, ki prehaja skozi sistem. V literaturi pa je uveljavljena ožja definicija: induciran je prehod, ki ga povzroči le elektromagnetno valovanje in enake frekvence, kot jo oddaja sistem med tem prehodom (polja drugih frekvenc ne bodo resonirala z lastnimi nihanji sistem,

zato bo njihov stimulativni učinek šibek). Ker je "prevoznik" elektromagnetno polje je foton, potem iz te definicije sledi, da z induciranim sevanjem zunanji foton spodbudi rojstvo novega fotona enake frekvence (energije).

Razmislimo o najpomembnejših značilnostih spontanih in induciranih prehodov z uporabo enega preprostega idealiziranega primera. Predpostavimo, da so v prostornini V z zrcalnimi stenami identični sistemi (atomi, molekule), od katerih v začetnem določenem trenutku nekateri od njih preidejo v vzbujeno stanje z energijo, s katero bo skupni presežek energije v tej prostornini Za spontane prehode je značilno naslednje:

1) proces prehoda vzbujenih sistemov v normalna stanja (t.j. sevanje presežne energije se podaljša v času. Nekateri sistemi ostanejo v vzbujenem stanju kratek čas; pri drugih je ta čas daljši. Zato je tok ( moč) sevanja se bo sčasoma spremenila in v nekem trenutku dosegla maksimum, nato pa se bo asimptotično zmanjšala na nič. Povprečna vrednost toka sevanja bo enaka.

2) trenutek v času, ko se začne sevanje enega sistema, lokacija tega sistema pa je popolnoma nepovezana s trenutkom sevanja in lokacijo drugega, to pomeni, da med oddajnimi sistemi ni "konsistentnosti" (korelacije). bodisi v prostoru bodisi v času. Spontani prehodi so povsem naključni procesi, razpršeni v času, po volumnu medija in v vse možne smeri; Polarizacijske ravnine in elektromagnetno sevanje različnih sistemov imajo verjetnostni razpršitev, zato sami oddajniki niso viri koherentnih valov.

Za karakterizacijo induciranih prehodov predpostavimo, da se en foton z energijo, ki je natanko enaka, vnese v obravnavani volumen V v trenutku. Obstaja nekaj verjetnosti, da bo ta foton absorbiral med enim od njegovih trkov z an nevzbujen sistem; to verjetnost bomo v nadaljevanju upoštevali v bolj splošnem primeru (ko pride do interakcije obravnavanih sistemov s fotonskim plinom v volumnu V). Predpostavili bomo, da se foton ne absorbira, se vedno znova odbija od sten posode in ob trku z vzbujenimi sistemi spodbuja emisijo istih fotonov, torej povzroča inducirane prehode. Vendar bo vsak nov foton, ki se pojavi med temi prehodi, vzbudil tudi inducirane prehode. Ker so hitrosti fotonov velike in so dimenzije prostornine V majhne, ​​bo trajalo zelo malo časa, da bodo vsi vzbujeni sistemi, ki so prisotni v začetnem trenutku, prisiljeni preiti v normalno stanje. Posledično je za inducirane prehode značilno naslednje:

1) čas, potreben za oddajanje odvečne energije, je mogoče prilagoditi in narediti zelo majhnega, tako da je lahko tok sevanja zelo velik;

2) poleg tega sta foton, ki je povzročil prehod, in foton enake energije (frekvence), ki se je pojavil ob tem prehodu, v isti fazi, imata enako polarizacijo in smer gibanja. torej elektromagnetni valovi, ki nastanejo med stimulirano emisijo, so koherentni.

Vendar pa vsak trk fotona z vzbujenim sistemom ne vodi do njegovega prehoda v normalno stanje, to je, da verjetnost induciranega prehoda v vsakem "dejanju interakcije" fotona s sistemom ni enaka ena. Označimo to verjetnost z Predpostavimo, da je v v tem trenutkučas v prostornini V so fotoni in vsak od njih ima lahko v povprečju trke na časovno enoto. Potem bo število induciranih prehodov na enoto časa in s tem število fotonov, ki se pojavijo v volumnu V, enako

Število vzbujenih sistemov v volumnu V označimo s Število trkov fotonov z vzbujenimi sistemi bo sorazmerno s koncentracijo takih sistemov, tj. Potem se lahko izrazi glede na:

kjer Shind upošteva vse druge dejavnike razen števila fotonov in števila vzbujenih sistemov

Povečanje števila fotonov v volumnu V se bo zgodilo tudi zaradi spontane emisije. Verjetnost spontanega prehoda je recipročna vrednost povprečnega časa, preživetega v vzbujenem stanju, zato bo število fotonov, ki se pojavijo na enoto časa zaradi spontanih prehodov, enako

Zmanjšanje števila fotonov v prostornini V bo nastalo zaradi njihove absorpcije s strani nevzbujenih sistemov (v tem primeru se bo povečalo število vzbujenih sistemov). Ker vsako "dejanje interakcije" fotona s sistemom ne spremlja absorpcija, je treba uvesti verjetnost absorpcije. Število trkov na enoto časa enega fotona z nevzbujenimi sistemi bo sorazmerno s številom takih sistemov; zato lahko po analogiji z (2.83) za izgubo fotonov zapišemo:

Poiščimo razliko med intenzivnostmi procesov emisije in absorpcije fotonov, to je procesov prehajanja sistemov iz višjih nivojev na nižje in obratno:

Odvisno od vrednosti se lahko v obravnavani prostornini pojavijo naslednje spremembe;

1), če bo potem v tej prostornini prišlo do postopnega zmanjševanja gostote fotonskega plina, tj. do absorpcije sevalne energije. Nujen pogoj v ta namen je nizka koncentracija vzbujenih sistemov: Lvozb

2) če se takrat v sistemu vzpostavi ravnotežno stanje pri določeni določeni koncentraciji vzbujenih sistemov in gostoti sevalne energije;

3) če (kar je mogoče pri velikih vrednostih), bo v obravnavani prostornini prišlo do povečanja gostote fotonskega plina (sevalne energije).

Očitno je, da do zmanjšanja ali povečanja energije sevanja ne bo prišlo le v izolirani prostornini z odbojnimi stenami, temveč tudi v primeru, ko se tok monokromatske sevalne energije (pretok fotonov s frekvenco širi v mediju, ki vsebuje vzbujeno delci s presežno energijo

Poiščimo relativno spremembo števila fotonov na foton in na sistem; z uporabo (2.86), (2.83), (2.84) in (2.85) dobimo

Upoštevajte, da je razmerje v ravnotežnem stanju (ki je možno le pri pozitivni temperaturi v skladu s formulo (2.42) iz § 12) enako

Statistična vsota v imenovalcu je v tem primeru sestavljena samo iz dveh členov, ki ustrezata: 1) sistemom v normalnih stanjih z energijo in 2) vzbujenim sistemom z energijo izhaja, da pri neskončno veliki pozitivni temperaturi s povišanjem temperature ni mogoče doseči stanja, v katerem bi bilo število vzbujenih sistemov več številk nerazburjen. je bilo večje od Mneexc, kar pomeni, da mora biti število fotonov, ki se pojavijo med prehodi na nižje ravni, večje od števila fotonov, absorbiranih v istem času). Zgoraj je bilo navedeno, da takšnega stanja ni mogoče doseči s povišanjem temperature. Zato je za pridobitev medija, ki lahko poveča sevalni tok, ki poteka skozi njega, treba uporabiti druge (brez temperature) metode vzbujanja atomov in molekul.

Lahko se pokaže, da jih je lahko več (tj. N) le pri negativni temperaturi, tj. v neravnovesnem stanju obravnavanega medija. Če je poleg tega to neravnotežno stanje metastabilno (glej II. del, § 3), potem je mogoče s pomočjo ustreznega zunanjega vpliva povzročiti nenaden prehod v ravnotežno stanje s sprostitvijo odvečne energije v zelo kratkem času. Ta ideja je osnova delovanja laserjev.

Stanje okolja, v katerem je zgornji ravni energije imajo večje faktorje polnjenja v primerjavi z nižjimi, kar se imenuje inverzija. Ker v tem stanju medij ne oslabi, kot običajno, ampak poveča sevanje, ki prehaja skozi njega, potem v formuli za spreminjanje intenzitete sevalnega toka v mediju

koeficient bo negativna vrednost (zato bo eksponent pozitivna vrednost). Glede na to se medij v stanju inverzije imenuje medij z negativnim absorpcijskim indeksom. Možnosti pridobivanja takšnih medijev, njihove lastnosti in uporabo za ojačanje optičnega sevanja so ugotovili in razvili V. A. Fabrikant in njegovi sodelavci (1939-1951).

Procesi nastajanja in rekombinacije nosilcev naboja so povezani drug z drugim, čeprav so si vsebinsko nasprotni. Energija med rekombinacijo se lahko sprosti bodisi v obliki fotona (sevalna rekombinacija), ali v obliki fonona (nesevalna rekombinacija).

IN zadnja leta Razvitih je bilo več vrst naprav, ki pretvarjajo električne signale v svetlobo. Načelo njihovega delovanja temelji na tako imenovanem rekombinacijskem sevanju - emisiji svetlobnih kvantov med neposrednimi rekombinacijskimi dejanji parov elektron-luknja.

Za intenzivno rekombinacijo je potrebna istočasna visoka elektronska gostota v prevodnem pasu in visoka gostota prostih nivojev (lukenj) v valenčnem pasu.

Takšni pogoji nastanejo, ko visoki ravni vbrizgavanje elektronov v luknjasti polprevodnik z visoko koncentracijo akceptorjev.

To je očitno Da pride do sevalne rekombinacije, ki ustreza neposrednim prehodom, je potrebno, da ima polprevodnik ustrezno pasovno strukturo: ekstrema valenčnega in prevodnega pasu morata ustrezati isti vrednosti valovnega vektorja .

Trenutno so bile preučene številne polprevodniške spojine tipov A III B V, A II B VI, pa tudi drugi binarni (SiC) in ternarni sistemi (kot so GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe itd.), Na katerih p-n - prehodi, ki oddajajo rahle vibracije, ko so vklopljeni v smeri naprej. Takšni polprevodniški viri svetlobe so lahko zelo priročni za številne aplikacije, na primer kot indikatorske naprave.

Z dopiranjem polprevodnika z določenimi primesmi je mogoče zaradi primesnega pasu spremeniti rekombinacijsko energijo in posledično valovno dolžino oddane svetlobe. Tako p-n spoji na GaP dajejo dva emisijska maksimuma: 5650 in 7000 Å. P-n spoji na GaAsP zagotavljajo luminescenco v območju od 6000 do 7000 Å. Sijaj v območju valovnih dolžin 5600-6300 Å je mogoče pridobiti iz spojev iz silicijevega karbida. Delovanje v načinu radiacijske rekombinacije poteka pri relativno visokih gostotah toka (nekaj sto amperov na kvadratni centimeter) s kvantnim izkoristkom reda 0,5-1,5 %.

Pri višjih gostotah toka, ki presegajo 500 a/cm 2 in doseže nekaj tisoč a/cm 2, pojavi se kvalitativno nov pojav -

Z zunanjimi napetostmi na stičišču, ki se približujejo kontaktni potencialni razliki (kar ustreza zelo visoke gostote tok), se zgodi takole klical populacijska inverzija . Gostota ravni, zasedenih z elektroni, v prevodnem pasu postane večja od gostote ravni, zasedenih z elektroni, na vrhu valenčnega pasu.

Imenuje se vrednost gostote toka, pri kateri pride do inverzije naseljenosti pragovni tok.

Pri tokovih pod pragom se zgodijo naključna dejanja rekombinacije, tj. tako imenovani spontana emisija.

Pri tokovih nad pragom svetlobni kvant, ki prehaja skozi polprevodnik, povzroči stimulirana emisija - hkratna rekombinacija več nosilcev naboja. V tem primeru pride do ojačanja ali generiranja skladen lahke vibracije, tj. vibracije, ki imajo enako fazo.

Tako so lahko pri gostotah toka, ki presegajo mejno vrednost, nekatere vrste polprevodniških p-n spojev viri laser sevanje. Prednost polprevodniških laserjev je, da ne potrebujejo optičnega črpanja. Vlogo optičnega črpanja tukaj opravljajo injekcijski tokovi, ki ustvarjajo populacijsko inverzijo. Polprevodniški laserji imajo lahko več kot 50-odstotno učinkovitost in so še posebej prednostni v primerjavi z drugimi vrstami laserjev, če se uporabljajo v neprekinjenem načinu.

Najpogostejši material za laserske p-n spoje je galijev arzenid. Z uporabo p-n spojev na galijevem arzenidu v neprekinjenem načinu je mogoče pridobiti enote vatov praktično monokromatskega sevanja z valovno dolžino 8400 Å pri temperaturi tekočega dušika. Pri sobni temperaturi se valovna dolžina poveča na 9000 Å.

Inverzno populacijo v polprevodnikih je mogoče ustvariti ne samo z injekcijo, temveč tudi z drugimi metodami, na primer z vzbujanjem elektronov z elektronskim žarkom.

riž. 1. a - spontana emisija fotonov; b - stimulirana emisija; c - resonančna absorpcija; E1 in E2 sta energijski ravni atoma.

Atom v vzbujenem stanju A, lahko po določenem času spontano, brez kakršnih koli zunanjih vplivov, preide v stanje z nižjo energijo (v našem primeru v glavno), pri čemer odda presežek energije v obliki elektromagnetnega sevanja (oddaja foton z energije h = E 2 –E 1). Proces oddajanja fotona iz vzbujenega atoma (vzbujenega mikrosistema) brez zunanjih vplivov imenujemo spontano(oz spontano) sevanje. Večja kot je verjetnost spontanih prehodov, krajša je povprečna življenjska doba atoma v vzbujenem stanju. Ker spontani prehodi med seboj niso povezani, je spontana emisija nekoherentna.

Leta 1916 je A. Einstein, da bi pojasnil eksperimentalno opazovano termodinamično ravnovesje med snovjo in sevanjem, ki ga ta oddaja in absorbira, predpostavljal, da bi poleg absorpcije in spontane emisije morala obstajati še tretja, kvalitativno drugačna vrsta interakcije. Če na atomu v vzbujenem stanju 2 , zunanje sevanje deluje s frekvenco, ki izpolnjuje pogoj hv= E 2 – E 1 , potem nastane prisilni (inducirani) prehod v osnovno stanje 1 z emisijo fotona enake energije hv= E 2 – E 1 (slika 309, c). Pri takem prehodu pride do sevanja iz atoma foton, dodatno na foton, pod vplivom katerega je prišlo do prehoda. Sevanje, ki je posledica takih prehodov, se imenuje prisilno (inducirano) sevanje. Tako sta v procesu stimulirane emisije udeležena dva fotona: primarni foton, ki povzroči sevanje vzbujenega atoma, in sekundarni foton, ki ga atom odda. Pomembno je, da sekundarni fotoni neločljivo od primarnih, biti njihova natančna kopija.

7 Princip delovanja laserja

Laser naprava, ki pretvarja energijo črpalke (svetlobno, električno, toplotno, kemično itd.) v energijo koherentnega, monokromatskega, polariziranega in visoko ciljanega sevalnega toka.

Fizikalna osnova za delovanje laserja je kvantnomehanski pojav prisilnega (induciranega) sevanja. Laserski žarek je lahko neprekinjen, s konstantno amplitudo, ali impulzen in dosega izjemno visoke konične moči. V nekaterih shemah se laserski delovni element uporablja kot optični ojačevalnik za sevanje iz drugega vira. Obstaja veliko vrst laserjev, ki kot delovni medij uporabljajo vsa agregatna stanja snovi.

Fizikalna osnova delovanja laserja je pojav prisilnega (induciranega) sevanja. Bistvo pojava je v tem, da je vzbujeni atom sposoben oddajati foton pod vplivom drugega fotona brez njegove absorpcije, če je energija slednjega enaka razliki v energijah nivojev atoma pred in po sevanje. V tem primeru je emitirani foton koherenten s fotonom, ki je povzročil sevanje (je njegova »natančna kopija«). Na ta način se svetloba ojača. Ta pojav se razlikuje od spontane emisije, pri kateri imajo emitirani fotoni naključno smer širjenja, polarizacijo in fazo. Verjetnost, da bo naključni foton povzročil stimulirano emisijo vzbujenega atoma, je natanko enaka verjetnosti absorpcije tega fotona s strani atoma. atom v nevzbujenem stanju. Zato je za ojačanje svetlobe potrebno, da je v mediju več vzbujenih atomov kot nevzbujenih (ti populacijska inverzija). V stanju termodinamičnega ravnovesja ta pogoj ni izpolnjen, zato se uporabljajo različne sistemečrpanje laserskega aktivnega medija ( optični, električni, kemična itd.).

Primarni vir generiranja je proces spontane emisije, zato je za zagotovitev kontinuitete generiranja fotonov nujen obstoj pozitivne povratne zveze, zaradi katere oddani fotoni povzročijo kasnejša dejanja inducirane emisije. Da bi to naredili, je aktivni medij laserja nameščen v optično votlino. V najpreprostejšem primeru je sestavljen iz dveh zrcal, od katerih je eno prosojno - skozi njega laserski žarek delno zapusti resonator. Žarek sevanja, ki se odbija od zrcal, večkrat prehaja skozi resonator in povzroča v njem inducirane prehode. Sevanje je lahko kontinuirano ali impulzno. Hkrati z uporabo različnih naprav (rotacijskih prizme, Kerrove celice itd.) za hiter izklop in vklop povratne zveze in s tem zmanjšanje obdobja impulzov, je mogoče ustvariti pogoje za generiranje sevanja zelo velike moči (t.i. velikanski utripi). Ta način delovanja laserja se imenuje modulirani način. faktor kakovosti.

Sevanje, ki ga ustvari laser, je monokromatsko (eno ali ločen niz valovne dolžine), saj je verjetnost emisije fotona določene valovne dolžine večja od tiste, ki se nahaja blizu, kar je povezano s širjenjem spektralne črte, zato ima verjetnost induciranih prehodov pri tej frekvenci tudi največ. Zato bodo postopoma med procesom generiranja fotoni dane valovne dolžine prevladovali nad vsemi drugimi fotoni. Poleg tega se zaradi posebne razporeditve zrcal v laserskem žarku zadržijo le tisti fotoni, ki se širijo v smeri, ki je vzporedna z optično osjo resonatorja na kratki razdalji, preostali fotoni pa hitro zapustijo prostornino resonatorja. Tako ima laserski žarek zelo majhen divergentni kot ] . Končno ima laserski žarek strogo določeno polarizacijo. Da bi to naredili, se v resonator vnesejo različni polaroidi, na primer lahko služijo kot ravne steklene plošče, nameščene pod Brewsterjevim kotom glede na smer širjenja laserskega žarka.

Opišemo kvantne procese emisije in absorpcije fotonov s strani atomov. Fotone oddajajo le vzbujeni atomi. Pri oddaji fotona atom izgubi energijo, velikost te izgube pa je povezana s frekvenco fotona z razmerjem (3.12.7). Če atom iz nekega razloga (na primer zaradi trka z drugim atomom) preide v vzbujeno stanje, je to stanje nestabilno. Zato se atom z oddajanjem fotona vrne v nižje energijsko stanje. To vrsto sevanja imenujemo spontano oz spontano. Tako pride do spontane emisije brez zunanjega vpliva in jo povzroči le nestabilnost vzbujenega stanja. Različni atomi spontano sevajo neodvisno drug od drugega in ustvarjajo fotone, ki se širijo v največji meri različne smeri. Poleg tega lahko atom vzbudimo v različna stanja, zato oddaja fotone različnih frekvenc. Zato so ti fotoni nekoherentni.

Če so atomi v svetlobnem polju, potem lahko slednji povzroči prehode tako z nižji nivo do najvišjega, ki ga spremlja absorpcija fotona, in obratno z emisijo fotona. Sevanje, ki ga povzroča vpliv zunanjega elektromagnetnega valovanja na atom resonančna frekvenca, za katero velja enakost (3.12.7) imenujemo povzročeno oz prisiljeni. V nasprotju s spontano emisijo pri vsakem aktu inducirane emisije sodelujeta dva fotona. Eden od njih se širi iz zunanjega vira in vpliva na atom, drugega pa atom oddaja kot posledico tega udara. Značilna lastnost Stimulirana emisija je natančno sovpadanje stanja izsevanega fotona s stanjem zunanjega. Oba fotona imata enake valovne vektorje in polarizacije, oba fotona pa imata tudi enake frekvence in faze. To pomeni, da so fotoni stimulirane emisije vedno koherentni s fotoni, ki so to emisijo povzročili. Atomi v svetlobnem polju lahko tudi absorbirajo fotone, zaradi česar se atomi vzburijo. Resonančna absorpcija fotonov v atomih je vedno induciran proces, ki se pojavi samo v polju zunanjega sevanja. Pri vsakem aktu absorpcije en foton izgine, atom pa preide v stanje z višjo energijo.

Kateri procesi bodo prevladali med interakcijo atomov s sevanjem, emisijo ali absorpcijo fotonov, bo odvisno od števila atomov z višjo ali nižjo energijo.

Einstein je uporabil verjetnostne metode za opisovanje procesov spontane in stimulirane emisije. Na podlagi termodinamičnih premislekov je dokazal, da mora biti verjetnost prisilnih prehodov, ki jih spremlja sevanje, enaka verjetnosti prisilnih prehodov, ki jih spremlja absorpcija svetlobe. Tako lahko pride do prisilnih prehodov z enako verjetnostjo v eno ali drugo smer.

Oglejmo si zdaj veliko enakih atomov v svetlobnem polju, za katerega bomo domnevali, da je izotropno in nepolarizirano. (Potem vprašanje odvisnosti spodaj uvedenih koeficientov od polarizacije in smeri sevanja izgine.) Naj bo in število atomov v stanjih z energijami in in ta stanja lahko vzamemo iz katerega koli obsega dopustnih stanj, ampak . in se običajno imenuje populacija ravni energije.Število prehodov atomov iz stanja v stanje na enoto časa pri spontana emisija bo sorazmerna s številom atomov v stanju:

. (3.16.1)

Tudi število prehodov atomov med istimi stanji med stimulirano emisijo bo sorazmerno s populacijo p – raven, temveč tudi spektralno energijsko gostoto sevanja, v polju katerega se nahajajo atomi:

Število prehodov iz T - vau naprej p – raven zaradi interakcije s sevanjem

. (3.16.3)

Količine se imenujejo Einsteinovi koeficienti.

Ravnovesje med snovjo in sevanjem bo doseženo pod pogojem, da bo število atomov, ki preidejo iz stanja na enoto časa n v stanju T bo enako številu atomov, ki naredijo prehod v nasprotni smeri:

Kot že rečeno, je verjetnost prisilnih prehodov v eno in drugo smer enaka. Zato .

Potem lahko iz (3.16.4) najdemo gostoto energije sevanja

. (3.16.5)

Ravnotežno porazdelitev atomov po stanjih z različnimi energijami določa Boltzmannov zakon

Potem iz (3.16.5) dobimo

, (3.16.6)

Kar se dobro ujema s Planckovo formulo (3.10.23). Ta dogovor vodi do zaključka o obstoju stimulirane emisije.

Laserji.

V 50. letih dvajsetega stoletja so nastale naprave, pri prehodu skozi katere se zaradi stimuliranega sevanja ojačajo elektromagnetni valovi. Najprej so nastali generatorji, ki so delovali v območju centimetrskih valovnih dolžin, nekoliko kasneje pa je nastala podobna naprava, ki je delovala v optičnem območju. Ime je dobil po prvih črkah angleško ime Ojačitev svetlobe s stimulirano emisijo sevanja (ojačitev svetlobe z uporabo stimulirane emisije) – laser. Imenujejo se tudi laserji optični kvantni generatorji.

Da bi se intenzivnost sevanja med prehodom snovi povečala, je potrebno, da za vsak par atomskih stanj, prehodi med katerimi nastanejo z emisijo in absorpcijo fotonov, prebivalstvo države z višjo energijo je bilo večje od prebivalstva države z nižjo energijo. To pomeni, da mora biti toplotno ravnovesje porušeno. Pravijo, da snov, v kateri je stanje atomov z več visoka energija bolj poseljena kot država z nižjo energijo, ima populacijska inverzija.

Pri prehodu skozi snov z inverzijo populacij dveh atomskih stanj se sevanje obogati s fotoni, kar povzroči prehode med temi atomskimi stanji. Posledično pride do koherentnega ojačanja sevanja pri določeni frekvenci, ko inducirana emisija fotonov prevlada nad njihovo absorpcijo med atomskimi prehodi med stanji z inverzijo naseljenosti. Snov z populacijsko inverzijo imenujemo aktivni medij.

Za ustvarjanje stanja z inverzijo prebivalstva je potrebno porabiti energijo in jo porabiti za premagovanje procesov, ki ponovno vzpostavijo ravnotežno porazdelitev. Ta učinek na snov se imenuje napolnjena. Energija črpanja vedno izvira iz zunanji vir v aktivno okolje.

obstajajo različne načinečrpanje. Za ustvarjanje inverzije populacij ravni v laserjih se najpogosteje uporablja trinivojska metoda. Razmislimo o bistvu te metode na primeru rubinastega laserja.

Rubin je aluminijev oksid, v katerem so nekateri atomi aluminija nadomeščeni z atomi kroma. Energijski spekter kromovih atomov (ionov) vsebuje tri ravni (slika 3.16.1) z energijami , in . Zgornja raven je pravzaprav precej širok pas, ki ga tvori zbirka tesno razmaknjenih ravni.

R

Glavna značilnost trinivojskega sistema je, da mora biti raven 2, ki se nahaja pod stopnjo 3 metastabilni ravni. To pomeni, da je prehod v takem sistemu zakonsko prepovedan kvantna mehanika. Ta prepoved je posledica kršitve izbirnih pravil kvantna števila za tak prehod. Izbirna pravila niso absolutna pravila o prepovedi prenosa. Vendar pa je njihova kršitev za nekatere kvantni prehod znatno zmanjša njegovo verjetnost. Ko je atom enkrat v takem metastabilnem stanju, v njem ostane. V tem primeru je življenjska doba atoma v metastabilnem stanju () več sto tisočkrat daljša od življenjske dobe atoma v normalnem vzbujenem stanju (). To omogoča kopičenje vzbujenih atomov z energijo. Zato se ustvari inverzna populacija ravni 1 in 2.

Postopek torej poteka takole. Pod vplivom zelene svetlobe bliskavice se kromovi ioni premaknejo iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje. Povratni prehod poteka v dveh stopnjah. Na prvi stopnji vzbujeni ioni oddajo del svoje energije kristalna mreža in preidejo v metastabilno stanje. Ustvari se inverzna populacija tega stanja. Če se zdaj foton z valovno dolžino 694,3 nm pojavi v rubinu, ki je bil priveden v to stanje (na primer zaradi spontanega prehoda iz ravni v ), potem bo inducirano sevanje povzročilo množenje fotonov, natančno kopiranje izvirnika (koherentno). Ta proces je plazovite narave in vodi v nastanek zelo veliko število le tisti fotoni, ki se širijo pod majhnimi koti na lasersko os. Takšni fotoni, ki se večkrat odbijejo od zrcal optičnega resonatorja laserja, v njem prepotujejo veliko razdaljo in zato večkrat naletijo na vzbujene kromove ione, kar povzroči njihove inducirane prehode. Fotonski tok se nato širi ozek žarek,

Ruby laserji delujejo v impulznem načinu. Leta 1961 prvi plinski laser na mešanici helija in neona, ki deluje v neprekinjenem načinu. Nato so bili ustvarjeni polprevodniški laserji. Trenutno seznam laserskih materialov vključuje več deset trdnih in plinastih snovi.

Lastnosti laserskega sevanja.

Lasersko sevanje ima lastnosti, ki jih sevanje iz običajnih (nelaserskih) virov nima.

1. Lasersko sevanje ima visoka stopnja enobarvni. Območje valovnih dolžin takega sevanja je ~ 0,01 nm.

2. Za lasersko sevanje je značilna visoka časovna in prostorska koherenca. Koherenčni čas takšnega sevanja doseže sekunde (koherenčna dolžina je reda m), kar je približno krat več od koherenčnega časa običajnega vira. Prostorska koherenca na izhodni luknji laserja se ohranja skozi celoten presek žarka. Z laserjem je mogoče proizvesti svetlobo, katere koherentni volumen je nekajkrat večji od koherentnega volumna svetlobnih valov enake jakosti, pridobljenih iz najbolj monokromatskih nelaserskih virov. Zato se lasersko sevanje uporablja v holografiji, kjer je potrebno sevanje z visoko stopnjo koherence.

3. Lasersko sevanje je zelo usmerjeno. Laserski žarki svetlobe so bili pridobljeni z divergenčnim kotom le 10÷20″. Najnaprednejši reflektorji proizvajajo svetlobne snope pod kotom 1÷2.

4. Zaradi ozkosti snopa laserji omogočajo ustvarjanje sevanja, katerega intenziteta dosega enormne vrednosti. Tako lahko laser neprekinjeno oddaja 100 W iz vsakega kvadratnega centimetra izhodnega okna. Da segreto telo seva na enak način, mora biti njegova temperatura reda stopinj. Zato lahko lasersko sevanje uporabimo za strojno obdelavo in varjenje najbolj ognjevzdržnih snovi, da vplivamo na hod kemične reakcije itd.