Принцип усиления света. Преодоление закона Ламберта – Бугера – Бэра.
Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.
Принцип усиления света индуцирующим излучением был предложен в 1951 году. Принцип усиления света индуцирующим излучением есть обращение процесса поглощения света, причем оба процесса равновероятны. Распределение совокупности частиц или атомов, находящихся в термодинамическом равновесии по состоянию энергии определяются законом Больцмана: Nm/Nn=e(c.∆E/kT)=e(c.(En-Em)/kT) (1)
=> С увеличением энергии число частиц с этой энергией уменьшается. Пусть через вещество проходит световая волна, частота которой совпадает с одной из частот атома данного вещества: ν=(En-Em)/n. Под действием этой световой волны в веществе возможны 2 процесса: переход атомов из состояния En в Em (En>Em) и вынужденный переход из En в Em. Первый процесс сопровождается поглощением энергии, 2-ой — испусканием энергии. => 1-ый процесс приводит к ослаблению интенсивности, падающей световой волны, а 2-ой к усилению. Результирующее изменение интенсивности световой волны зависит от того, какой из процессов будет преобладать. Для системы атомов в термодинамическом равновесии 1-ый процесс будет преобладать, т.к. вероятности переходов, которые будут определять интенсивность определяются заселенностью исходного уровня:
Nn/Nm=e(c.-∆E/kT)=e(c.- (En-Em)/kT); En-Em>0 => Nn/Nm<1.
Для того, чтобы получить усиление световой волны при прохождении через вещество необходимо каким-то образом обратить заселенность уровней, т.е. в состоянии En> частиц, чем в Em.
Такая совокупность атомов обладает инверсной заселенностью. Закон Больцмана применим для равновестной системы. Для неравновестной системы можно получить инверсию уровней непрерывно поставляя атомам извне энергии. Nn/Nm=e(c. — (En-Em)/kT); Nn/Nm>1, при En-Em>0, T<0.
В процессе получения усиления света индуцирующим излучением необходимо осуществление 2 процессов: - создание инверсной заселенности уровней, причем процесс из основного состояния в возбужденное называется световой накачкой, - излучение с метастабильного уровня.
Принцип усиления света с помощью атомных систем был впервые предложен в 1940 г. В.А. Фабрикантом.
Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается следующей формулой:
,
I (l) = Ioe^(-
ccl),
где —
интенсивность входящего пучка,
— толщина слоя вещества, через которое
проходит свет,
— показатель поглощения. c
— удельный показатель поглощения света,
рассчитанный на единицу концентрации
с вещества, определяющего поглощение;
c
зависит от природы и состояния вещества
и от длины волны проходящего излучения.
Предполагаемая в Б.— Л.— Б. з. независимость c от концентрации р-ра и природы растворителя носит приближённый хар-р. При высоких значениях С в газах и р-рах c уже не явл. пост. величиной, а заметно изменяется вследствие вз-ствий между молекулами поглощающего в-ва. В тех случаях, когда c можно считать не зависящим от концентрации, Б.— Л.— Б. з. используется для определения концентрации поглощающего в-ва путём измерения поглощения, к-рое может быть выполнено очень точно. Увеличивая толщину слоя l, можно определять ничтожно малые концентрации в-ва.
Физический смысл Б.— Л.— Б. з. состоит в утверждении независимости процесса потери фотонов от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света, проходящего через в-во. Это утверждение справедливо в широких пределах, однако, когда интенсивность света очень велика (напр., в сфокусированных пучках импульсных лазеров), kl становится зависящим от интенсивности и Б.— Л.— Б. з. перестаёт быть применим.