I. Взаимодействие света с веществом

Основные понятия и термины, описывающие взаимодействие излучения с веществом, были введены в классических разделах оптики: спектроскопии и люминесценции. В этих разделах оптики подробно разобран случай взаимодействия сравнительно мало интенсивного излучения с веществом. С возникновением лазеров исследования переместились в область интенсивных взаимодействий. При этом возникли новые разделы оптики: нелинейная оптика, когерентная оптика, оптика сильного взаимодействия света с атомами.

1.1. Спектр излучения

Основополагающее понятие классических разделов оптики – спектр. Частотный спектр электромагнитных колебаний это совокупность монохроматических колебаний, в сумме дающих данное сложное колебание. Изучают спектры поглощения или испускания объектов (атомы, молекулы, кристаллы, жидкости, стекла…).

На выходе спектрального прибора сигнал представляет собой мощность (или энергию), приходящуюся на некоторый малый спектральный интервал, равный спектральному разрешению прибора. Эту величину называют спектральной плотностью излучения (отношение среднего значения оптической величины в рассматриваемом малом спектральном интервале к ширине этого интервала).

Спектр излучения обычно представляют в виде графической зависимости спектральной плотности излучения от длины волны, частоты или волнового числа излучения. Математически понятие спектральная плотность излучения представляют как производную от интенсивности, мощности или энергии излучения по длине волны или частоте, например, dU_/d ; dU/d.

Пример: Освещенность, создаваемая Солнцем на среднем расстоянии от Земли до Солнца равна 127000 лк или 186 Вт/м². Эта энергия распределена в видимом спектральном диапазоне от 0,4 до 0,7 мкм или в частотном диапазоне 7,5 10¹⁴ … 4,3 10¹⁴Гц.   310¹⁴ Гц. Спектральная плотность освещенности, создаваемая Солнцем, I_ = 610^-13Вт/(м²Гц).

Школьный гелий-неоновый лазер испускает 0,01Вт в пучке с поперечным сечением 1 мм². Создаваемая им освещенность на экране равна 10⁶Вт/м². Ширина спектральной линии такого лазера равна 100 кГц. Спектральная плотность излучения лазера 10Вт/(м²Гц). Таким образом, спектральная плотность излучения даже самого маломощного лазера на 13 порядков больше, чем у Солнца или другого теплового источника света. Именно поэтому характер взаимодействия лазерного света, распространяющегося в веществе существенно отличается от хорошо изученных случаев классической оптики.

Спектральные приборы непосредственно измеряют длину волны излучения. Измерить частоты оптического излучения непосредственно невозможно. Поэтому переход к частотному спектру производят с помощью соотношения  = с/.

Спектр поглощения – это зависимость коэффициента пропускания объекта (отношение интенсивности света, прошедшей через объект, к интенсивности на его входе), облучаемого монохроматическим излучением, от этих же величин. Вместо коэффициента пропускания часто используют понятие: коэффициент поглощения. Подробнее о коэффициенте поглощения см. ниже.

Спектр отражает внутренние свойства атомной системы, образующей объект, который излучает или поглощает свет. Спектры атомов и простейших молекул, находящихся в газовой фазе, представляют собой набор узких спектральных линий. Для описания таких спектров оказалось удобным введение понятий: уровни энергии и населенности этих уровней. Спектральные линии возникают при переходах электронов атомной системы между уровнями энергии.

В отличие от света тепловых источников лазерное излучение характеризуют также монохроматической несущей частотой излучения. Эту частоту непосредственно определяют при измерении автокорреляционной функции лазерного излучения с помощью интерферометра Майкельсона с движущимся зеркалом. Обычно длина волны несущей совпадает с максимумом спектрального контура усиления активной среды лазера.

Совокупность всех возможных значений энергии уровней и носит название спектра возможных значений энергии атомной системы. Населенности уровней – это числа атомов, с электронами, находящимися на том или ином уровне. Теоретически интенсивности спектральных линий описывают, используя понятие: вероятность перехода между энергетическими уровнями системы.

Конденсированные вещества, а также сложные молекулы обладают сплошными спектрами уровней энергии. Абсолютно дискретных уровней энергии, естественно, не бывает. Обычно все уровни обладают конечной шириной. В некоторых случаях, (сложные молекулы, кристаллы, полупроводниковые кристаллы) энергетический спектр имеет зонный характер.

При изучении испускания и поглощения света телами выделяют два вида взаимодействий: равновесное и неравновесные. Наиболее известный случай свечения – равновесное тепловое испускание черного тела.

Неравновесные процессы включают люминесценцию, вынужденное испускание, сильные взаимодействия или эффекты когерентного взаимодействия излучения с веществом.