Проблема создания мощных остронаправленных источников электромагнитного излучения издавна существовала в практической жизни человека. Она была решена с открытием явления вынужденного излучения. Возник новый раздел физики квантовая электроника, которая изучает методы усиления и генерации электромагнитных волн, основанные на использовании вынужденного излучения квантовых систем. Были созданы квантовые генераторы волн СВЧ-диапазона – мазеры (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), а чуть позже оптические квантовые генераторы – лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Явление вынужденного (индуцированного) излучения было предсказано А. Эйнштейном в 1916 году. Анализируя состояние термодинамического равновесия тел, он пришёл к выводу, что в квантовых системах помимо поглощения (рис.1а) и спонтанного излучения (рис.1б) должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия тела и излучения. Сущность этого взаимодействия заключается в следующем. Если на атом, который находится в возбуждённом состоянии воздействовать внешним излучением с частотой ν, удовлетворяющей условию hν = Е2 – Е1, то возникает вынужденный (индуцированный) переход с возбуждённого уровня Е2 в основное состояние Е1 (рис.1в). В результате вынужденного квантового перехода излучается новый фотон, и от частицы будут распространяться два фотона: первичный, внешний и второй – излученный. Эйнштейн и Дирак показали, что эти фотоны во всех отношениях тождественны друг другу: они имеют одинаковую частоту, фазу, поляризацию и распространяются в одном направлении, т.е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Эти два фотона, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбуждённые атомы, стимулируют дальнейшие вынужденные переходы. При соответствующих условиях число фотонов лавинообразно нарастает. Возникает строго когерентное индуцированноеизлучение.
|
|
Число вынужденных переходов будет определяться заселённостью энергетических уровней соответствующих данному возбуждённому состоянию атомов среды.
С другой стороны параллельно с вынужденным излучением имеет место конкурирующий процесс – поглощение фотонов. Число актов поглощения пропорционально заполненности энергетических уровней соответствующих основному состоянию атомов среды. В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана (рис.2). По оси абсцисс откладывается вероятность нахождения атома в данном энергетическом состоянии. Как видно из рисунка (кривая 1) «населённость» нижних уровней в соответствии с распределением Больцмана намного больше, чем верхних. Это означает, что актов поглощения будет больше, чем актов излучения. Кванты индуцированного излучения будут поглощены, так и не успев вызвать последующие вынужденные переходы. Т.О. усиление света не произойдёт.
|
|
Чтобы осуществить усиление света, необходимо создать неравновесное состояние, при котором число атомов в возбуждённых состояниях больше их числа в основном (кривая 2). Такие состояния называются состояниями с инверсией населённости. Процесс перевода среды в состояние с инверсной населённостью уровней возбуждения называется накачкой. Среды, которые допускают перевод в инверсное состояние, и вследствие этого способные усиливать падающий на них пучок света называются активными. В качестве активных сред могут использоваться плазма, некоторые газы и их смеси, кристаллические тела, стёкла, жидкости, многие полупроводниковые материалы. По мере распространения света в такой среде интенсивность его будет возрастать.