Спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры

Как отмечалось выше, атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е1, Е2, Е3,... Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е1 и Е2. Если атом находится в основном состоянии 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 (рис. 309, а), приводящий к поглощению излучения. Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией hn=E2–Е1). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис. 309, б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.

Лазер – оптический квантовый генератор, абривиатура слов английской фразы: Light Ampflication by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление света вынужденным излучением». Лазер – устройство, преобразующее различные виды энергии – электрическую, световую, химическую, ядерную и т. д. в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Идея принципиально нового усиления и генерации электромагнитного излучения, применяемая в лазерах, принадлежит российским ученым Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, которые были удостоены Нобелевской премии 1964 г.

Любой лазер, работающий как генератор, состоит из трех основных элементов:

1) активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки – устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптического резонатора – устройства, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Рассмотрим принципиальную схему работы лазера (рис. 8.13). На рис. 1 – активная среда; 2 и 3 – сплошное и полупрозрачные сферические зеркала. Любой фотон, возникший в активной среде за счет спонтанного испускания возбужденных атомов, может вызвать индуцированное излучение фотонов, возбужденных накачкой среды. Фотон, движущийся параллельно оси зеркал рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении (а). Часть этой лавины частично проходит через зеркало 3 наружу (б), а часть отразится от зеркала 2, и будет нарастать в активной среде. Когда лавина фотонов дойдет до зеркала 2 (в), она частично поглотится, но после отражения будет двигаться так же, как и первоначальный фотон. Таким образом, с помощью зеркал в лазере реализуется обратная положительная связь. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало, создает строго направленный пучок лучей света огромной яркости.