4. Спонтанное и вынужденное излучение атомных систем

Кроме самопроизвольных, спонтанных переходов с одного энергетического уровня на другой, наблюдаются также вынужденные (индуцированные) переходы, обусловленные действием на атом падающего излучения (частота излучения определяется из формулы (1)).

Самопроизвольные переходы могут совершаться только в одном направлении – с более высокого энергетического уровня на более низкий. Вынужденные переходы с равной вероятностью могут происходить как в одном, так и в другом направлении. В случае перехода на более высокий энергетический уровень атом поглощает падающее на него излучение. При вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на более низкий энергетический уровень происходит излучение атомом дополнительного (к первому, падающему) кванта света, который идентичен первоначальному по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Таким образом, вынужденное и внешнее излучение оказываются когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света – лазеров. В латинской транскрипции слово “laser” составлено из начальных букв следующей английской фразы: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает “усиление света с помощью вынужденного излучения”. В русскоязычной литературе вместо аббревиатуры «лазер», используется отечественная аббревиатура - ОКГ (оптический квантовый генератор).

5. Активная среда (среда с инверсной заселенностью энергетических уровней).

Рассмотрим условия, при которых возможно усиление электромагнитных волн с помощью вынужденного излучения. В условиях термодинамического равновесия число частиц на каждом уровне определяется распределением Больцмана:

(3),

где n₀ и n_i – число частиц (населенность) на основном и i-м возбужденном уровнях; ΔE_i – разность энергий, соответствующих этим уровням; k- постоянная Больцмана; T – термодинамическая температура. Согласно (3) при данной температуре подавляющее большинство частиц, из которых состоит вещество, находится на основном уровне. Населенности возбужденных уровней при температуре 20⁰-30⁰С весьма малы по сравнению с населенностью основного уровня (n₀>n_i). Поэтому фотоны будут сталкиваться, главным образом, с невозбужденными частицами и будет происходить поглощение света и последующее спонтанное излучение. Но можно получить термодинамически неравновесную среду, для которой n_i станет больше n₀. Такая среда называется активной или средой с инверсной заселенностью энергетических уровней (слово “инверсия” означает перестановку, изменение обычного порядка). Только в этом случае, когда происходит накопление частиц на возбужденном уровне, число актов поглощения уменьшается, а вынужденное излучение становиться определяющим. Следствием существования данной ситуации является преимущественное усиление, а не поглощение падающей на инверсную среду световой волны. Для того, чтобы состояние инверсной населенности сохранялось как можно дольше, необходимо, чтобы время нахождения частицы на возбужденном уровне (время жизни) было как можно большим, этот уровень должен быть метастабильным.