Главная  Усиленная люминесценция 

[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

Усиленная люминесценция в лазерах

Одним из знаменательных явлений в истории науки XX в. стало возникновение квантовой электроники - нового раздела физики и техники, науки, изучающей усиление, генерацию и преобразование электромагнитных волн посредством вынужденного излучения, устройство, принцип работы и применение мазеров, лазеров, квантовых усилителей, преобразователей и других приборов. Лазером (лазерным усилителем) называется генератор (усилитель) электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения.

Слова «лазер» {«мазер») образованы начальными буквами английского выражения «Light (Microwave) Amplification by Stimulated Emission of Radiation* - усиление света (микроволн) вынужденным излучением. Использование вынужденного (стимулированного, индуцированного) излучения составляет наиболее важную, принципиально новую отличительную черту всех приборов и устройств квантовой электроники.

Впервые понятие вынужденного излучения было введено А. Эйн-



штейном в 1916 г. в его работе «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории». Рассматривая в рамках теории излучения Бора взаимодействие газа одинаковых молекул, имеющих дискретный набор энергетических уровней £i, £2 и т. д., с тепловым излучением, он постулировал, что излучательные переходы с более высоких энергетических уровней / на более низкие уровни / могут быть двух типов: спонтанными и вынужденными. Подобно радиоактивному распаду спонтанные переходы реализуются без внешних воздействий, а вынужденные обусловлены возбуждающим излучением. За единицу времени происходит Л,,7г, спонтанных переходов, а также fi,j«°(v;j)n, и fi,,«°(v/,)nj вынужденных переходов с испусканием и поглощением квантов света, энергия которых равна /ivi, = £, - £,, где Л,„ fi,,, Bji - коэффициенты Эйнштейна для спонтанных и вынужденных переходов; «"(у,,) - спектральная плотность теплового излучения на частоте v,j; П; и п, - число молекул на уровнях / и у; /г - постоянная Планка.

В условиях термодинамического равновесия число поглощенных квантов равно числу испущенных:

Л,7/г,-Ь S,Y«°(v,7)n,=

= S„«°(v„)n,. (1)

Поскольку Л, и Вц не зависят от «°(v,j), то, полагая «°(v,7)-oo и учитывая формулу Больцмана, описывающую распределение мо-

Можно считать, что квантовая электроника начала свое существование с конца 1954 г. - начала 1955 г. Именно в этот период были даны теоретические основы квантовой электроники, а также создан новый прибор - молекулярный генератор

А. М. Прохоров

лекул по уровням

Свет, который использовался человеком с тех пор как он увидел Солнце и вплоть до недавнего времени, обусловлен главным образом спонтанным излучением, которое подобно излучению раскаленных тел Ч. Таунс

Ч -(E,-Ei)/kT

находим

giBii = g;Bji,

где gi и gj - степени вырождения соответствующих уровней. Из уравнений (1), (2) следует выражение

совпадающее с функцией Планка

Ail 8n/iv,j

где с - скорость света в вакууме.

Введение понятий спонтанных и вынужденных переходов позволило Эйнштейну элементарно просто получить функцию Планка - важнейшую характеристику теплового излучения.

В 1927-1930 гг. П. Дирак развил строгую квантовоэлектродина-мическую теорию излучения и вычислил вероятность элементарного акта перехода системы с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотонов с заданными энергией, направлением распространения и поляризацией. Как и предполагал Эйнштейн, эта вероятность оказалась состоящей из двух частей. Первая часть не зависит от внешнего поля, а вторая прямо пропорциональна плотности фотонов заданного сорта. Кроме того, из теории Дирака следовало, что фотоны, возникающие в результате вы-



нужденных переходов, физически тождественны фотонам внешнего излучения: они распространяются в направлении падающего излучения и имеют совпадающую с ним длину волны и поляризацию. Величины вероятностей спонтанных и вынужденных переходов в теории. Дирака были выражены через квадраты матричных элементов Дипольного момента Оц, что позволяет коэффициенты Эйнштейна представить в виде

64KSi

3hc 8л

Отсюда независимо от функции Планка следует соотношение (5).

С учетом вынужденных переходов Число квантов падающего излучения с плотностью энергии «(v,,), поглощенных в единице объема за единицу времени, будет равно

Nn{vii) = BjiU (v,,) rii - BijU (vii) щ =

= S,-,«(v,,) {n-g;m/g{). (7)

Здесь вынужденное излучение (второе слагаемое) фигурирует как отрицательное поглощение. Если

то согласно (7) поглощение в целом окажется отрицательным, т. е. будет происходить усиление излучения, а не его поглощение. Это реализуется, когда на верхнем уровне частиц больше, чем на ниж-

...И тем не менее можно утверждать, что в общем случае в поглощающей среде распространение света, несомненно, происходит по нелинейным законам, причем это есть прямое следствие теории квантов

С. И. Вавилов

нем (в расчете на одно квантово-механическое состояние). Поскольку в условиях термодинамического равновесия населенность уровней (2) экспоненциально убывает с ростом их энергии, то неравенство (8) называется условием инверсной (обращенной) населенности.

Согласно (5) с увеличением частоты излучения отношение коэффициентов для спонтанных и вынужденных переходов возрастает как vfj. В оптической области оно достаточно велико, а населенности верхних уровней малы, поэтому при низких уровнях возбуждения вынужденное излучение пренебрежимо мало по сравнению со спонтанным. Видимо, поэтому после работ А. Эйнштейна и П. Дирака в течение длительного времени не выдвигалось каких-либо идей о практическом использовании вынужденного излучения.

Определенную роль в формировании представления о малой величине вынужденного излучения могли сыграть и работы С. И. Вавилова. В начале 20-х гг. он высказал идею о том, что законы Линейной оптики, в частности независимость коэффициента поглощения вещества от интенсивности падающего излучения, справедливы только до некоторых значений плотности световых потоков. С. И. Вавилов ввел термин нелинейная оптика. Однако в его опытах с В. Л. Левшиным (1925 г.) коэффициент поглощения таких красителей, как родамин, оставался постоянным при изменении интенсивности света



[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0011