Характеристики различных спектров излучения

	Параметр
Область спектра	Частота ω, 1/с	Длина волны λ,	Энергия кванта E =ħ ω, эВ
Инфракрасная область	< 2∙ 1015	> 8000	< 1, 35
Видимая область	2, 4∙ 1015–6∙ 1015	3200–7800	1, 6–3, 9
Ультрафиолетовое излучение	< 2, 4∙ 1015		> 3, 9
Рентгеновская область	1018–2∙ 1018	10–20	620–1250

В состоянии термодинамического равновесия справедлив принцип детального равновесия, согласно которому скорость испускания излучения равна скорости поглощения. Испускание излучения может быть спонтанным и вынужденным. Вероятность спонтанных переходов относительно невелика. Главную роль играют вынужденные переходы, происходящие в результате взаимодействия электромагнитной волны с атомом. Эти переходы были рассмотрены нами в разделе 1.5, где были установлены правила отбора, которые делят все переходы на разрешенные и существенно менее вероятные — запрещенные. При наличии термодинамического равновесия, как было показано в разделе 2.2, заселенность энергетического состояния n пропорциональна . Следовательно, в равновесных условиях число частиц с энергией превосходит число частиц с энергией , если _, . Поэтому при возникновении в среде электромагнитного излучения с частой , число переходов, связанных с поглощением излучения, будет больше числа переходов, сопровождающихся излучением. Поэтому интегрально внешняя электромагнитная волна в среде будет затухать. Внешнее излучение будет рассеиваться средой, что мы всегда наблюдаем в обычных условиях.

Иной будет ситуация, при которой заселенность более высоких уровней энергии будет выше, чем низких. В этом случая говорят о так называемой инверсной заселенности. Ясно, что в целом для состояний, близких к термодинамическому равновесию, существование инверсной заселенности невозможно. Однако физически можно реализовать обратную заселенность по отношению лишь к одной или нескольким парам энергетических уровней. Например, для . В этом случае электромагнитное излучение с соответствующей частотой перехода будет усиливаться, так как число актов излучения будет превосходить число актов поглощения при переходах в атомах. Описанный принцип реализуется в лазерах. При этом процесс создания инверсной заселенности для какой-либо пары уровней называется накачкой. По мере распространения электромагнитного излучения в некотором направлении в среде оно при наличии инверсной заселенности усиливается именно в этом направлении, поскольку индуцирует преобладающие переходы с излучением именно на пути своего движения. Поэтому луч лазера отличается малыми поперечными размерами, фиксированным цветом (частотой излучения), способен распространяться на большие расстояния, в особенности, если для частоты излучения лазера во внешней среде переходы, связанные с поглощением, маловероятны. Например, хорошо известны свойства лазеров с зеленым цветом луча, которые для относительно маломощных устройств обеспечивают распространение излучения на несколько километров.

Рис. 48. Схема устройства СО2 лазера

Для накачки лазеров используются различные физические механизмы — внешнее электромагнитное облучение среды, электрический разряд, химические реакции и т. п. В частности в СО₂ лазере в качестве активной среды используется газообразная двуокись углерода. Инверсная заселенность создается путем создания в среде CO₂ тлеющего электрического разряда. При этом возбуждается пара уровней молекулы CO₂ с энергией перехода эВ, что соответствует инфракрасной области излучения. Для повышения эффективности накачки в среду СО₂ добавляют азот N₂, молекулы которого имеют близкий к СО₂ уровень возбуждения, однако обладают большим сечением возбуждения при взаимодействии со свободными электронами в разряде. Поскольку энергии возбуждения N ₂ и СО₂ близки, то первые легко отдают свою энергию молекулам углекислого газа и вновь возбуждаются под действием свободных электронов. Рабочие температуры CO₂ лазера не превышают 100^оС, поскольку при более высоких температурах трудно поддерживать инверсную заселенность. Предельный коэффициент полезного действия СО₂ лазера . Однако реальный к. п. д. меньше вследствие наличия разного рода потерь. Конструкции лазеров предусматривают условия, при которых пробег первичного луча внутри устройства был бы максимальным, чтобы обеспечить наибольшее число индуцированных переходов с излучением. В частности для СО₂ лазера для размещения активной среды используется трубка с двумя зеркалами на торцах. При этом зеркало, устанавливаемое на выходном конце, является полупрозрачным. Большая доля излучения, прежде чем покинуть камеру с активной средой, многократно циркулирует по линии излучения, обеспечивая тем самым большое количество индуцированных переходов с излучением и большую результирующую энергию устройства (рис. 48).