Спонтанное и вынужденное излучение

Лазеры

Квантовый генератор, генератор электромагнитных волн, в котором используется явление вынужденного излучения

Лазеры работают в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном режимах.

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения
(около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения
1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7(103
Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал ((=10-6 см
(ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2
Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Спонтанное и вынужденное излучение

Атом, находящийся в возбужденном состоянии, самопроизвольно переходит в основное состояние или на более низкий энергетический уровень.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе из одного состояния в другое, называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит индивидуально, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других.

В 1916 г. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний и сопровождающее этот акт излучение могут происходить также под влиянием внешнего электромагнитного поля. Такое излучение называют вынужденным, или индуцированным.

Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома. В результате взаимодействия возбужденного атома, готового испустить фотон с энергией с фотоном вынуждающим этот переход, получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца (рис. 20.10). Пролетающий фотон как бы "стряхивает" с возбужденного атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергию. С точки зрения волновой теории атом излучает электромагнитную волну, совершенно одинаковую по направлению распространения, частоте, фазе и поляризации с той, которая вынудила атом излучать. В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей. Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно.