Kaj je spontano in inducirano sevanje. Spontana in inducirana emisija. Spontane in povzročene mutacije

Laserji ali optični kvantni generatorji so sodobni koherentni viri sevanja, ki imajo številne edinstvene lastnosti. Nastanek laserjev je bil eden najvidnejših dosežkov fizike v drugi polovici 20. stoletja, ki je povzročil revolucionarne spremembe na številnih področjih znanosti in tehnologije. Ustvarjeno do danes veliko število laserji z različne lastnosti– plin, polprevodnik, polprevodnik, ki oddaja svetlobo v različnih optičnih območjih.

Laserji lahko delujejo v impulznem in neprekinjenem načinu. Moč sevanja laserjev se lahko spreminja od frakcij milivata do 10 12 –10 13 W (v impulznem načinu). Laserji se pogosto uporabljajo v vojaška oprema, v tehnologiji obdelave materialov, v medicini, v optičnih navigacijskih, komunikacijskih in lokacijskih sistemih, v natančnih interferenčnih poskusih, v kemiji, preprosto v vsakdanjem življenju itd. Čeprav je bil prvi laser izdelan relativno nedavno (1960), moderno življenje Brez laserjev si ni več mogoče predstavljati.

Eden od najpomembnejše lastnosti Za lasersko sevanje je značilna izjemno visoka stopnja monokromatičnosti, ki je pri sevanju nelaserskih virov nedosegljiva. To in vse ostale edinstvene lastnosti Lasersko sevanje nastane kot posledica usklajenega, kooperativnega oddajanja svetlobnih kvantov številnih atomov delovne snovi.

Da bi razumeli princip delovanja laserja, si oglejmo procese absorpcije in emisije svetlobnih kvantov s strani atomov. Atom je lahko v različnih energijskih stanjih z energijami E 1, E 2 itd. V Bohrovi teoriji se ta stanja imenujejo stabilna. Pravzaprav je edino stabilno stanje, v katerem lahko atom ostane za nedoločen čas brez zunanjih motenj, stanje z najnižjo energijo. Ta pogoj se imenuje osnovni. Vsa druga stanja so nestabilna. Vzbujen atom lahko ostane v teh stanjih le zelo kratek čas, približno 10–8 s, nato pa spontano preide v eno od nižjih stanj in oddaja kvant svetlobe, katere frekvenco lahko določimo iz drugega Bohrovega postulata. . Sevanje, ki nastane med spontanim prehodom atoma iz enega stanja v drugo, imenujemo spontano. Atom lahko ostane na nekaterih ravneh energije veliko dlje časa, reda velikosti 10–3 s. Takšne ravni imenujemo metastabilne.

Prehod atoma v višje energijsko stanje se lahko zgodi z resonančno absorpcijo fotona, katerega energija je enaka razliki med energijama atoma v končnem in začetnem stanju.

Prehodi med nivoji atomske energije ne vključujejo nujno absorpcije ali emisije fotonov. Atom lahko pridobi ali opusti del svoje energije in se premakne v drugo kvantno stanje zaradi interakcij z drugimi atomi ali trkov z elektroni. Takšni prehodi se imenujejo nesevalni.

Leta 1916 je A. Einstein napovedal, da se lahko prehod elektrona v atomu z zgornje energetske ravni na nižjo pojavi pod vplivom zunanjega elektromagnetno polje, katerega frekvenca je enaka naravni frekvenci prehoda. Nastalo sevanje imenujemo prisilno ali inducirano. Stimulirana emisija se močno razlikuje od spontane emisije. Kot rezultat interakcije vzbujenega atoma s fotonom, atom odda drug foton iste frekvence, ki se širi v isto smer. Na jeziku valovna teorija to pomeni, da atom oddaja elektromagnetno valovanje, katerega frekvenca, faza, polarizacija in smer širjenja so popolnoma enake prvotnemu valu. Zaradi stimuliranega oddajanja fotonov se poveča amplituda valovanja, ki se širi v mediju. Z vidika kvantna teorija, kot posledica interakcije vzbujenega atoma s fotonom, katerega frekvenca je enaka prehodni frekvenci, se pojavita dva popolnoma enaka fotona dvojčka. Prav stimulirano sevanje je fizikalna osnova za delovanje laserjev. Slika 80 shematsko prikazuje možne mehanizme prehodov med dvema energijskima stanjema atoma z absorpcijo (a), spontano emisijo kvanta (b) in inducirano emisijo kvanta (c). Oglejmo si plast prozorne snovi, katere atomi so lahko v stanjih z energijama E 1 in E 2 > E 1 . V tej plasti naj se širi sevanje resonančne prehodne frekvence ν = ΔE/h. V skladu z Boltzmannovo porazdelitvijo bo v termodinamičnem ravnovesju več atomov snovi v nižjem energijskem stanju. Nekateri atomi bodo tudi v višjem energijskem stanju in bodo prejeli potrebno energijo v trkih z drugimi atomi. Označimo populacije spodnje in zgornje ravni z n 1 oziroma n 2< n 1 . При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рисунке 80. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона

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.

Atomi in molekule so v določenih energijskih stanjih, na določenih energijskih ravneh. Da lahko izolirani atom spremeni svoje energijsko stanje, mora absorbirati foton (pridobiti energijo) in se premakniti na višje raven energije, ali oddajajo foton in preidejo v nižje energijsko stanje.

Če je atom v vzbujenem stanju, potem obstaja določena verjetnost, da bo čez nekaj časa prešel v nižje stanje in oddal foton. Ta verjetnost ima dve komponenti - konstantno in "spremenljivo".

Če v območju, kjer se nahaja vzbujeni atom, ni elektromagnetnega polja, se proces prehoda atoma v nižje stanje, ki ga spremlja emisija fotona in za katerega je značilna konstantna komponenta verjetnosti prehoda, imenuje spontani emisija.

Spontana emisija ni koherentna, ker različni atomi sevajo neodvisno drug od drugega. Če na atom deluje zunanje elektromagnetno polje s frekvenco, ki je enaka frekvenci izsevanega fotona, potem se proces spontanega prehoda atoma v nižje energijsko stanje nadaljuje kot prej in faza sevanja, ki ga oddaja atom, ni odvisen od faze zunanjega polja.

Vendar pa prisotnost zunanjega elektromagnetnega polja s frekvenco, ki je enaka frekvenci oddanega fotona, inducira atome, da oddajajo sevanje in poveča verjetnost prehoda atoma v nižje energijsko stanje. V tem primeru ima sevanje atoma enako frekvenco, smer širjenja in polarizacijo kot pogonsko zunanje sevanje. Sevanje atomov bo ločeno fazno stanje z zunanjim poljem, to pomeni, da bo koherenten. Tak proces sevanja imenujemo induciran (ali prisilen) in je zanj značilna "spremenljiva" verjetnostna komponenta (večja ko je gostota energije zunanjega elektromagnetnega polja, večja je). Ker se energija elektromagnetnega polja porabi za spodbujanje prehoda, se energija zunanjega polja poveča za količino energije oddanih fotonov. Ti procesi se nenehno dogajajo okoli nas, kot svetlobni valovi vedno v interakciji s snovjo.

Vendar pa se hkrati odvijajo tudi obratni procesi. Atomi absorbirajo fotone in se vzbujajo, energija elektromagnetnega polja pa se zmanjša za količino energije absorbiranih fotonov. V naravi obstaja ravnovesje med procesi emisije in absorpcije, zato v naravi okoli nas v povprečju ni procesa krepitve elektromagnetnega polja.

Imejmo dvonivojski sistem.

Diagram prehoda v dvonivojskem sistemu

N2– število atomov na prostorninsko enoto v vzbujenem stanju 2. N1– v nevzbujenem stanju 1.

dN2 = - A21 N2 dt,

število atomov na enoto prostornine, ki so zapustili stanje 2. A21 je verjetnost spontanega prehoda posameznega atoma iz stanja 2 v stanje 1. Z integracijo dobimo

N2 = N20 eA21t,

kje N20– število atomov v stanju 2 v trenutku t = 0. Intenzivnost spontane emisije Ic enako

Ic = (hμ21 dN2) / dt = hμ21 A21 N2 = hμ21 A21 N20 e – A21t,

Intenzivnost spontane emisije se eksponentno zmanjšuje.

Število atomov, ki zapustijo stanje 2 v času od t do t +dt, enako A21 N2dt, to je število atomov, ki so preživeli čas t v stanju 2. Zato je povprečna življenjska doba τ atom v stanju 2 je enak

τ = (1 / N20) 21 N2 tdt = A21 e-A21t

dt = (1 / A21)τ = 1 / A21

Ic = hμ21 A21 N20 e – A21t = (hμ21 N20 / τ) e

Verjetnost induciranega prehoda W21 2 – 1 sorazmeren s spektralno energijsko gostoto elektromagnetnega polja ρν na prehodni frekvenci, tj

W21 = B21 ρν,

B21– Einsteinov koeficient stimulirane emisije.

Verjetnost prehoda 1-2

W12 = B12 ρν,

ρν = (8πhμ321 / c3) · (1 / e -1) Planckova formula.

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 med spontano emisijo bo sorazmerno s številom atomov v stanju:

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

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

Ravnotežno porazdelitev atomov po stanjih z različnimi energijami določa Boltzmannov zakon

Potem iz (3.16.5) dobimo

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 elektromagnetni valovi ojačan s stimulirano emisijo. 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.

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 niso medsebojno 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.