ИЗЛУЧЕНИЕ СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ. ОПТИЧЕСКИЕ И КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ.

В основном состоянии атомы находятся на 1 энергети-

ческом уровне с наименьшей энергией. Чтобы перевести

атом на уровень 2, ему надо сообщить энергию

hν=∆E=E2-E1. Или говорят, необходимо, чтобы атом

провзаимодействовал с одним квантом энергии. Обратный

переход 2 электронов может происходить самопроизвольно,

только в одном направлении. Наряду с этими переходами возможны и вынужденные переходы под влиянием внешнего излучения. Переход 1à2 всегда вынужденный. Атом, оказавшийся в состоянии 2, живёт в нем в течении 10(с.-8)с, после чего атом спантанно возвращается в исходное состояние. Наряду со спонтанным переходом  2à1 возможен вынужденный переход, при этом излучается квант энергии, который вызвал этот переход. Это дополнительное излучение называется вынужденным или индуцированным. Т.о. под влиянием внешнего излучения возможны 2 перехода: вынужденное излучение и вынужденное поглощение, причем оба процесса равновероятны. Дополнительный квант, испускаемый при вынужденном излучении, приводит к усилению света. Индуцированное излучение обладает свойствами: 1) нагревание индуцированного кванта совпадает с напряжением индуцирующего кванта, 2) фаза, поляризация, частота индуцирующего излучения совпадает с фазой, поляризацией и частотой индуцирующего излучения, т.е. индуцированное и индуцирующее излучение высококогерентны, 3) при каждом индуцированном переходе происходит выигрыш в 1 квант энергии, т.е. усиление света.

  Принцип усиления света индуцирующим излучением был предложен в 1951 году. Принцип усиления света индуцирующим излучением есть обращение процесса поглощения света, причем оба процесса равновероятны. Распределение совокупности частиц или атомов, находящихся в термодинамическом равновесии по состоянию энергии определяются законом Больцмана: Nm/Nn=e(c.∆E/kT)=e(c.(En-Em)/kT) (1)

=> С увеличением энергии число частиц с этой энергией уменьшается. Пусть через вещество проходит световая волна, частота которой совпадает с одной из частот атома данного вещества: ν=(En-Em)/n. Под действием этой световой волны в веществе возможны 2 процесса: переход атомов из состояния En в Em (En>Em) и вынужденный переход из En в Em. Первый процесс сопровождается поглощением энергии, 2-ой – испусканием энергии. => 1-ый процесс приводит к ослаблению интенсивности, падающей световой волны, а 2-ой к усилению. Результирующее изменение интенсивности световой волны зависит от того, какой из процессов будет преобладать. Для системы атомов в термодинамическом равновесии 1-ый процесс будет преобладать, т.к. вероятности переходов, которые будут определять интенсивность определяются заселенностью исходного уровня:

Nn/Nm=e(c.-∆E/kT)=e(c.- (En-Em)/kT); En-Em>0 => Nn/Nm<1.

Для того, чтобы получить усиление световой волны при

прохождении через вещество необходимо каким-то образом

обратить заселенность уровней, т.е. в состоянии En> частиц, чем в Em.

Такая совокупность атомов обладает инверсной заселенностью. Закон Больцмана применим для равновестной системы. Для неравновестной системы можно получить инверсию уровней непрерывно поставляя атомам извне энергии. Nn/Nm=e(c. – (En-Em)/kT);  Nn/Nm>1, при En-Em>0, T<0.

Говорят, что совокупность атомов с инверсной заселенностью обладает отрицательной температурой. Пусть мы добились

инверсной заселенности поставляя атомам извне

непрерывной энергии. В этом случае независимо от нас

начнутся неуправляемые спонтанные переходы. Они нежелательны, т.к. неуправляемы; имеют произвольную фазу, поляризацию и частоту; имеют произвольное напряжение. Т.о. необходимо избавиться от спонтанных переходов, т.е. задержать атомы в возбужденном состоянии на время

∆t>10(c.- 8)с с тем, чтобы успеть подействовать индуцирующим излучением. Это достигается использованием 3-уровневой системы, когда между 2-мя основными уравнениями вводится метастабильный кровень путем примеси. Самопроизвольный переход атомов

из 2 в 1 возможен, но маловероятен. Его вероятность

гораздо меньше, чем вероятность самопроизвольного

перехода 2 à 2’. Переход 2’à1 является

вынужденным. Т.о. в процессе получения усиления