Презентация на тему Вынужденное излучение.Принцип действия лазера

(атома,молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под

воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней.

Понятие о вынужденном излучении

в физику Нильсом Бором в 1913 г. Оно объяснило

линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного излучения и резонансного поглощения света атомами.

Квантовые энергетические уровни

(испускании) внес А.Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что

под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

Гипотеза Эйнштейна

высокий с поглощением фотона энергией hν=E2-E1

низкий с испусканием фотона энергией hν=E2-E1

остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на

нижний уровень с испусканием фотона энергией hν=E2-E1

испусканием, третий — спонтанным испусканием.


Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона

пропорциональна вероятности соответствующего перехода:
В12*u и B21*u,
где В12, B21 — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, u — спектральная плотность излучения.

же направлении, что и излучение, его вызвавшее.
2. Фаза волны

вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны.
3. Вынужденное излучение линейно поляризовано с той же плоскостью поляризации, что и падающее излучение.

стимулирующих квантов. Поэтому вынужденное излучение при распространении в веществе

отличается от спонтанного излучения ничтожно малой расходимостью пучка, а также когерентностью и линейной поляризацией волны.
Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

единицу времени с энергетического уровня En на уровень Em,

а Pmn – вероятность обратного перехода. При одинаковой интенсивности излучения Pnm = Pmn. Вероятность вынужденных переходов пропорциональна плотности энергии uω вынуждающего переход электромагнитного поля, приходящейся на частоту ω, соответствующую данному переходу ω=(En-Em)/ћ, где ћ=h/2π, h- постоянная Планка, h=6.62*10⁻³⁴ Дж*с.
Pnm = Bnm uω , Pmn = Bmn uω , где Bnm и Bmn – коэффициенты пропорциональности, называемые коэффициентами Эйнштейна. При условии равновесия Bnm = Bmn

только под воздействием излучения, переходы n→m будут совершаться как

вынужденно, так и спонтанно.
Nmn=Nmn(вынужд), Nnm=Nnm(вынужд)+Nnm(спонт)
Условие равновесия имеет вид: Nmn(вынужд)=Nnm(вынужд)+Nnm(спонт);
Nmn(вынужд)=PmnNm=BmnuωNm ,
Nnm(вынужд)=PnmNn=BnmuωNn ,
Где Nm и Nn – числа атомов в состояниях m и n.

времени.
Nnm(спонт)=AnmNn .
BmnuωNm=BnmuωNn+AnmNn.

u(ω,T)=

= ,

Равновесное распределение атомов по состояниям с различной энергией определяется законом Больцмана

= exp = exp .

Следовательно u(ω,T)=

AnmNn

BmnNm-BnmNn

Anm

1

Bnm

Nm/Nn - 1

Nm

Nn

En-Em

kT

ћω

kT

Anm

Bnm

1

exp(ћω/kT)-1

можно произвести замену exp(hω/kT) ≈ 1 + ћω/kT, в

результате :

u(ω,T)= ,

Из формулы Рэлея-Джинса получаем

= .

врезультате подстановки получаем формулу Планка

u(ω,T)= .

ћ ω³

π²c³

exp(ћω/kT)-1

π²c³

Anm

1

Anm kT

Bnm hω

Bnm

ћ ω³

emission of radiation - усиление света вынужденным излучением

по мере распространения излучения в веществе его энергия уменьшается.

Это уменьшение энергии излучения в пучке, распространяющемся вдоль направления оси , описывается законом Бугера:
I(z)=I₀exp(-μz)

Где I₀-интенсивность излучения на входе в вещество, I(z)- интенсивность на глубине z, μ – коэффициент поглощения вещества.
Для сред, поглощающих излучение, коэффициент μ положителен.

среда может усиливать вынужденное излучение, но такая активная среда

должна иметь инверсную заселенность энергетических уровней. Инверсия (от латинского - переворачивание, перестановка) заселенностей уровней соответствует нестандартной заселенности, когда в среде число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в основном состоянии. Совокупность атомов с инверсной населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом
поглощения.

квантовый генератор, получивший название лазера . Рабочим веществом лазера

служил монокристалл рубина (корунд Al₂O₃ с примесями Cr³⁺) в виде цилиндра длиной около 5 см и диаметра 1 см.

1 - посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 - рубиновый стержень; 3 - охлаждающая жидкость; 4 - газоразрядная лампа накачки; 5 - кожух (трубка) охлаждения; 6 - слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).

часто используется метод трех уровней. Энергетический спектр атомов (ионов)

содержит три уровня с энергиями E1, E2 и E3(совокупность близко расположенных уровней)

уровень 2, расположенный ниже уровня 3, должен быть метастабильным

уровнем.
Время жизни атома в метастабильном состоянии (~10⁻³с) в сотни раз превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии (~10⁻⁸с). Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией E2. Процесс сообщения рабочему телу лазера для перевода атомов в возбужденное состояние называют накачкой. Существуют различные физические механизмы накачки. В рубиновом лазере используется импульсная оптическая накачка.

Л, работающей в импульсном режиме. Длительность вспышки имеет порядок

10⁻³с, а мощность накачки в одном импульсе составляет десятки миллионов ватт.

Поглощая это излучение атомы хрома переходят в возбужденное состояние Е₃. За время меньше 10⁻⁷с атомы переходят на более низкий метастабильный уровень Е₂ без излучения, передавая энергию кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает на некоторое время инверсию заселенностей уровней 1 и 2.

среду, которая может усиливать вынужденное излучение с длиной волны

λ=594,3нм (красный свет), соответствующее переходу 2→1 . Поэтому, если в результате спонтанного перехода рождается фотон с такой длиной волны, то, взаимодействуя с атомами хрома, он индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный. Процесс рождения вынужденных фотонов при распространении в рубине излучения носит лавинообразный характер.
      Для того, чтобы такой оптический усилитель превратить в оптический генератор когерентного лазерного излучения, необходимо обеспечить положительную обратную связь при помощи оптического резонатора, состоящего из двух строго параллельных плоских зеркал , расположенных вблизи торцов рубинового стержня.

например, З II, делается полупрозрачным. Поэтому после многократного отражения

от зеркал и усиления лазерный пучок становится достаточно интенсивным и получает возможность выхода через полупрозрачное зеркало. Затем следует новая вспышка лампы накачки и процесс повторяется. Лазер на рубине работает в импульсном режиме с частотой порядка нескольких импульсов в минуту.
К настоящему времени обнаружены сотни кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве активных сред в твердотельных лазерах. Созданы лазеры на итриево-алюминиевом гранате, александрите, стекле с примесью неодима и других материалах.

средах - твердых телах, жидкостях и газах.
Твердотельные лазеры

с оптической накачкой;
Газовые лазеры;
Химические лазеры;
Полупроводниковые лазеры;
Лазеры на красителях.

Приборы квантовой электроники - мазеры и лазеры нашли многообразные области применения.

газовых лазеров. Лазеры применяются в медицине как бескровные скальпели.

Когерентное излучение лазеров лечит глазные, кожные и другие болезни.

связи. Сверхстабильные мазеры и лазеры являются основой стандартов частот

и времени. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере. Лазерная локация космических объектов способствовала созданию систем космической навигации.Физики обсуждают возможные применения рентгеновских лазеров, схемы которых прорабатываются уже сейчас в физических лабораториях.