Элементы квантовой электроники. Спонтанные и вынужденные излучения

Переодическая система элементов Менделеева

В основе заполнения лежат два принцыпа:

1. 1869г.-введен порядковый номер химического элемента равный числу протонов в ядре (числу электронов в данном атоме);

2. Разбивка на группы осуществляется по принципу Паули, который объяснил по методу.

1Н 11Na

8O -состояние устойчивое если внешний энергетический уровень заполнен.

Электроны в атомах могут находиться только в энергетически квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е₁,Е₂,Е₃.

Спонтанное излучение

Е₂

Е₁

Е₂

Е₁

Поглащает

При переходе с одного энергетического уровня на другой может выделяться квант энергии. Если атом находится в основном состоянии один то под действием внешнего излучения может осуществляться вынужденный переход в состояние Е₂ приводящий к поглащению излучения.

Атом находясь в возбужденном состоянии E_i может спонтанно прийти в основное состояние с низшей энергией. Отдавая избыточную энергию в виде фотона.. Процесс испускания фотона возбужденным атомом без внешних воздействий называется спонтанным или самопроизвольным излучением. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то магнитное излучение не когерентно.

1916г. Эйнштейн постулировал «Что помимо поглащения и спонтанного излучения существует третий тип взаимодействия: «Если на атом находящейся в возбужденном состоянии два действует внешнее излучение с частотой, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние один с излучением фотона с той же энергией»».

Вынужденое

Е₂

Е₁

Такое излучение называется вынужденное или индуцированное. В этом виде излучения вовлечены два фотона: первичный-вызывающий испускание излучения возбужденным атомом; вторичный-испусканный самим атомом.

Вторичные фотоны неотречены от первичных. Вынужденное излучение строгокогерентно с вынужденным излучением.

Испущенные фотоны двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы вызывают другие вынужденные переходы, число электронов лавинообразно растут. Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение необходимо создать неравновестное состояние системы при котором число атомов в возбужденом состоянии было больше, чем в основном –состояние с инверсией населенностей. А процесс создания неравновестного состояния состояния вещества- Накачка. 1939г. Показал русский физик Фабрикант.

§50 Оптические квантовые генераторы (Лазеры)

Инверсное состояние среды практически осуществимо в оптических квантовых генераторах или лазерах.

Типы лазеров (по типу среды):

1. Твердотельные;

2. Газовые;

3. Жидкостные.

По методу накачки:

1. Оптические;

2. Химические;

3. Тепловой.

По режиму генерации:

1. Импульсный;

2. Непрерывный.

Лазер имеет:

1. Активная среда;

2. Система накачки – устройство для создания инверсий в активной среде;

3. Оптический резонатор – устройство выдающее в пространство изберательное направление пучки фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Первый твердотельный лазер – рубиновый лазер..

Кристал Рубина – оксид Al= в кристалической решетки которого некоторые атомы Alзамещены Cr³⁺(0,03-0,05%) для оптической накачкеиспользуется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровень широкой полосы 3.

Безизлуч.

Спонтанный переход

Накачка

Время жизни атомов Cr 10^-7с. Поэтому осуществляемы е атомные переходы 3-1 (незначительны) либо безизлучательные переходы на уровень 2 (метастабильные) с передачей энергии решетки кристала Рубина. Преход 2-1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 Cr³⁺ на четыре порядка выше чем для состояния 3. Это приводит к наполнению атомов хрома на уровне 2. На уровне 2 возникает среда с инверсной заселенностью.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор (пара обращенных друг к другу зеркал параллельных и междуними размещается активная среда).

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность;

2. Строгая монохромность;

3. Большая точность потока энергии;

4. Очень малое расхождение в пучке.

Практическое применение:

Прежде всего, следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой интерес. Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Как уже отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности(высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществить избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических связей, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро – в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и моделировать отдельные их звенья. Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика.

При обсуждении практических применения лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление связывают с применениями, в которых лазерное излучение(как правило, достаточно высокой мощности) используется для целенаправленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов(например, варку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов,, применение лазеров в медицине и т.д. Второе направление связывают с так называемым информативным применением лазеров – для передачи и обработки информации, для осуществления контроля измеренй.

Дата добавления: 2014-01-04