Студопедия — КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ВЕЩЕСТВЕ, ПРОЦЕССЫ ИСПУСКАНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ВЕЩЕСТВЕ, ПРОЦЕССЫ ИСПУСКАНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА






ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА И СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО

В основе работы лазера лежат фундаментальные процессы взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Рассмотрим среду, состоящую из N одинаковых частиц (атомов, ионов, молекул), причем каждая частица имеет пару связанных состояний с энергиями E1 и Е2 (рис. 1). Если пренебречь при рассмотрении всеми остальными энергетическими уровнями, то для двухуровневой резонансной среды возможны процессы с сохранением энергии, при которых фотоны с частотой v = (E2-E1)/h (где h - постоянная Планка) испускаются или поглощаются частицами среды, совершающими при этом переходы между энергетическими состояниями E1 и Е2. Если на среду падает электромагнитная волна с резонансной частотой перехода ν, то существует вероятность перехода частицы на верхний энергетический уровень Е2. Этот процесс называется поглощением, и его вероятность пропорциональна объемной плотности энергии электромагнитной волны U(v). Коэффициент пропорциональности определяется коэффициентом В12, который называется коэффициентом Эйнштейна для вынужденных переходов с поглощением и характеризует спектральные свойства резонансной среды. Произведение B12U имеет размерность (время-1) и определяет вероятность резонансного перехода.

С учетом сказанного динамику процесса поглощения можно описать следующим кинетическим уравнением:

(1)

 

где N1 - населенность уровня E1 (число частиц в единице объема, находящихся в основном состоянии).

Теперь рассмотрим поведение частиц, находящихся в возбужденном состоянии E2 с населенностью N2. Для них существует вероятность A21 спонтанных переходов в нижнее состояние Е1 с испусканием фотонов, обладающих энергией hv:

(2)

 

Также существует вероятность B21U вынужденных переходов с испусканием фотонов в присутствии излучения с плотностью энергии U:

(3)

 

Коэффициенты Эйнштейна для спонтанных A21 и вынужденных переходов В12, B21 взаимосвязаны:

(4)

 

где с - скорость света в среде; g1 и g2 - степень вырождения соответствующих энергетических уровней.

Резонансные переходы с поглощением и испусканием фотонов приводят к изменению интенсивности светового пучка при его распространении в объеме среды. Учитывая особенности вынужденного испускания, при котором испущенные фотоны ничем не отличаются от вынуждающих (их направление распространения, поляризация, частота и фаза полностью совпадают), мощность, поглощаемая в единице объема, мо­жет быть записана в следующем виде:

(5)

 

Принимая во внимание связь между интенсивностью светового поля и объемной плотностью энергии U (I = Uc), из формулы (5) следует выражение для коэффициента поглощения:

(6)

 

Из уравнения (6) видно, что при условии B12N1<B21N2, т.е. N1 <(g1 /g)N2 коэффициент поглощения будет отрицательным. Такое состояние среды называется инверсной населенностью, а среда - усиливающей или активной (световой пучок при прохождении среды будет усиливаться).

 

Инвертированная активная среда

Как уже отмечалось, фотон с энергией e12 = Е21 может с равной вероятностью инициировать как переход Е2®Е1 так и переход Е1®Е2. Все дело в том, на каком энергетическом уровне находится взаимодействующий с фотоном активный центр. Если на нижнем рабочем уровне 1) находится больше активных центров, чем на верхнем уровне (Е2), то будут преобладать процессы поглощения света. Если же, наоборот, на уровне Е1 находится меньше активных центров, чем на уровне Е2, то будут преобладать процессы вынужденного испускания света.

В обычных условиях и, в частности, при термодинамическом равновесии, заселенности энергетических уровней уменьшаются по мере увеличения энергии уровней, т. е. n2<n1. Поэтому обычно процессы поглощения света преобладают над процессами вынужденного испускания света.

Нам важно, чтобы, наоборот, преобладали процессы вынужденного испускания света. Следовательно, необходимо позаботиться о том, чтобы заселенность верхнего рабочего уровня оказалась выше заселенности нижнего уровня, т. е. чтобы выполнялось условие

 

n2> n1.

 

называемое условием инверсии (обращения) заселенностей рабочих уровней. Активную среду, для активных центров которой выполнено условие инверсии, называют инвертированной активной средой. Предположим, что приготовлена инвертированная активная среда. Пусть в эту среду проходит направленный световой пучок, имеющий частоту n12 и плотность потока S (см. рис. 2).

 

Рис.2. Световой пучок может усиливаться, проходя через инвертированную активную среду

 

 

Прежде всего поясним, что такое плотность светового потока S. Она измеряется энергией светового пучка, падающей на единицу площади в единицу времени; размерность Дж/м2с=Вт/м2. Если обозначить через r плотность энергии светового поля (энергия в единице объема), то плотность светового потока можно представить, как произведение rJ, где J— скорость света в данной среде. Величина N — число фотонов в единице объема.

 

Очевидно, что r=eN=hnN, и, следовательно,

 

 

S=hnNJ

Заметим, что величины S,r,N рассматриваются для определённой частоты излучения. Ниже будем полагать, что эта частота равна частоте рабочего перехода n12 = Е21.

Проходя через инвертированную активную среду, световой пучок может усиливаться вследствие преобладания процессов вынужденного испускания над процессами поглощения. Существенно, что с усиливающие пучок фотоны рождаются в том же состоянии, в каком находятся фотоны исходного светового пучка, играющие роль первичных фотонов. Обозначим через Wсветовую энергию, генерируемую на частоте e12 в единице объема активной среды в единицу времени (это есть плотность световой мощности).

 







Дата добавления: 2015-03-11; просмотров: 1243. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Почему важны муниципальные выборы? Туристическая фирма оставляет за собой право, в случае причин непреодолимого характера, вносить некоторые изменения в программу тура без уменьшения общего объема и качества услуг, в том числе предоставлять замену отеля на равнозначный...

Тема 2: Анатомо-топографическое строение полостей зубов верхней и нижней челюстей. Полость зуба — это сложная система разветвлений, имеющая разнообразную конфигурацию...

Виды и жанры театрализованных представлений   Проживание бронируется и оплачивается слушателями самостоятельно...

Случайной величины Плотностью распределения вероятностей непрерывной случайной величины Х называют функцию f(x) – первую производную от функции распределения F(x): Понятие плотность распределения вероятностей случайной величины Х для дискретной величины неприменима...

Схема рефлекторной дуги условного слюноотделительного рефлекса При неоднократном сочетании действия предупреждающего сигнала и безусловного пищевого раздражителя формируются...

Уравнение волны. Уравнение плоской гармонической волны. Волновое уравнение. Уравнение сферической волны Уравнением упругой волны называют функцию , которая определяет смещение любой частицы среды с координатами относительно своего положения равновесия в произвольный момент времени t...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.01 сек.) русская версия | украинская версия