Поглощение и излучение (спонтанное и вынужденное) света атомами. Оптические квантовые генераторы (лазеры).

Атом является квантовой системой. Движение электронов в нем пространственно ограничено, и их энергия (а с нею и энергия атома в целом) квантуется, то есть принимает дискретный ряд значений.

Под действием внешнего электромагнитного излучения (света) атом может совершить вынужденный переход "вверх" - в возбужденное состояние с повышенной, энергией. При этом происходит поглощение атомом кванта падающего на него света, частота n которого должна отвечать условию (правилу) частот Бора: , где E_m и E_n - энергии конечного и начального состояний атома. Вероятность подобных вынужденных переходов атома "вверх" (по шкале энергии) пропорциональна интенсивности воздействующего на него излучения, то есть числу фотонов в нем.

Возбужденное состояние атома с повышенной энергией является нестабильным, и спустя довольно малое время атом избавляется от избытка ("груза") энергии, переходя в энергетически более "выгодное" (более низкое) состояние. Такой переход "вниз" обычно сопровождается излучением кванта света, фотона, и он может осуществляться двумя различными способами.

Первый способ, называемый спонтанным (самопроизвольным), реализуется случайным образом, в отсутствие внешних воздействий. Для любого возбужденного состояния атома существует некоторое статистически усредненное время жизни, по истечении которого атом самопроизвольно переходит в одно из нижележащих энергетических состояний. Частота излучаемого при таком переходе фотона должна удовлетворять правилу частот Бора. Начальная же фаза, поляризация и направление распространения у разных таких фотонов, излучаемых разными атомами, оказываются совершенно независимыми, то есть случайными. Поэтому в целом такое излучение, называемое спонтанным, является некогерентным и неполяризованным.

Второй способ квантового перехода атома "вниз", называемый стимулированным или вынужденным осуществляется под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты, удовлетворяющей правилу частот Бора. Такое излучение может стимулировать, ускорять переходы атомов из возбужденных состояний. Особенностью этих переходов является то, что порождаемый в их результате вторичный фотон является по всем своим характеристикам полностью идентичным породившему его первичному фотону внешнего излучения. При определенных условиях, реализуемых, например, в оптических квантовых генераторах (ОКГ), называемых лазерами, вторичное вынужденное излучение в отличие от спонтанного, получается высоко когерентным, поляризованным и узконаправленным.

Наряду с вынужденным излучением, параллельно с ним происходит и конкурирующий процесс поглощения фотонов веществом. Поэтому для осуществления условий усиления падающего на вещество излучения необходимо, чтобы число вынужденно излучаемых фотонов (оно пропорционально заселенности атомами возбужденных состояний) превышало число поглощаемых атомами фотонов (оно пропорционально заселенности основного, нижнего состояния).

В системе атомов, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, заселенность энергетических уровней атомами осуществляется в соответствии с распределением Больцмана , где n – концентрация атомов в состоянии с энергией Е. При этом нижележащие уровни энергии оказываются более заселенными, и большая часть атомов находится в основном состоянии с наименьшей энергией, то есть n_о > n. При прохождении света через такое вещество доминировать будут переходы атомов снизу вверх, с поглощением света, в результате чего интенсивность J света будет экспоненциально ослабляться в соответствии с законом поглощения Бугера: , где a - коэффициент поглощения среды, х – расстояние, проходимое светом в веществе.

Чтобы система атомов (вещественная среда) усиливала падающее на нее электромагнитное излучение, необходимо создать неравновесное состояние с инверсией (переворачиванием) заселенности уровней, в котором число n₂ атомов в каком-либо возбужденном состоянии больше, чем их число n₁ в более низком по энергии состоянии (им может быть и основное состояние). Процесс создания инверс­ной населенности уровней называется накачкой среды. Ее можно осуществить методами оптического, электрического и др. воздействия на атомы среды.

С позиций распределения Больцмана , неравновесному состоянию с инверсной заселенностью (n₂ > n₁ или n > n_о) уровней, соответствует отрицательная абсолютная температура среды, которую, в этом случае, называют активной. В ней вынужденное излучение может превышать поглощение, и проходящий через такую среду, вещество свет, будет усиливаться. С позиций закона поглощения света – закона Бугера, при увеличивающейся интенсивности J света по сравнению с начальной J_о, такой среде соответствует отрицательный коэффициент поглощения a. Отрицательные температура Т и коэффициент поглощения a характеризуют неравновесное состояние вещества, которое, однако, может быть стационарным состоянием. Отрицательная абсолютная температура оказывается «более горячей» чем бесконечно большая положительная температура.

Прямые методы перевода атомов с нижнего энергетического уровня на верхний не могут обеспечить длительного и тем более стационарного существования инверсной заселенности уровней. Вследствие спонтанного излучения ("скатывания вниз"), а также и действия самой накачки, возбужденные атомы переходят на нижние уровни, восстанавливая ситуацию с преобладанием заселенности основного, энергетически низшего состояния. Поэтому использование двухуровневой системы накачки неэффективно для создания инверсной заселенности уровней, необходимой для усиления и генерации когерентного монохроматического света. Обычно в квантовых генераторах света используется трех - и более уровневая схема накачки. Одним из этих трех уровней должен быть так называемый метастабильный уровень, отличающийся повышенным временем жизни.

Эффект усиления света, основанный на индуцированных переходах атомов, можно усилить путем многократного прохождения света через один и тот же слой активной среды. Например, это может быть достигнуто путем помещения слоя активной среды (кювета с газом или кристалл) в устройство, называемое резонатором. Обычно это два плоских зеркала, установленные параллельно друг другу. Одно из зеркал делается обычно полупрозрачным для вывода излучения. Любой фотон, возникший в активной среде за счет спонтанного излучения возбужденных накачкой атомов среды, может служить "затравочным" для начала лавинообразного нарастания их числа, для генерации света. С помощью зеркал реализуется положительная обратная связь, необходимая в любом генераторе. В лазере эта связь селективно - резонансная по частоте. Расстояние L между зеркалами подбирается в расчете на длину, генерируемой лазером волны: L = nl/2 - условие стоячей волны. Эта классическая резонансность дополняет квантовую, в соответствии с которой e_ф = hс/l = Е_m – Е_n.

Один из первых генераторов когерентного света, работающих по трехуровневой схеме накачки с твердым телом в качестве активной среды, был создан в 1960 году Мейманом (США). Это был рубиновый (Al₂O₃ + 0,05 % Сr) лазер, активным веществом в котором являются ионы хрома Cr⁺³. Энергетическая схема уровней Cr⁺³ содержит две ближайшие к основному уровню C широкие энергетические полосы А и двойной метастабильный уровень В, переходы с которого на основной уровень С, соответствуют длинам волн 692,7 и 694,3 нм красного света (цвет рубина). Таким образом, в рубине для генерации и усиления света существенно наличие трех уровней, включая один метастабильный, то есть долгоживущий, обладающий повышенным временем жизни (с пониженной вероятностью спонтанных переходов).

При интенсивном облучении рубина зеленым светом мощной неон - криптоновой лампы наблюдается переход ионов хрома на уровни широкой полосы А, откуда наиболее вероятным является безызлучательный переход ионов на двойной уровень В с передачей избытка энергии кристаллической решетке рубина. Таким образом, можно создать условия, при которых населенность ионами двойного уровня В будет превышать заселенность основного уровня С, то есть уровни В и С будут заселены инверсно. Это и позволяет получить квантовый генератор света на линиях 692,7 и 694,3 нм.

В одном из газовых оптических квантовых генераторов света усиливающей (активной) средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном. Вследствие соударений с электронами в первую очередь возбуждаются (на уровень Е₃) более легкие атомы гелия. Затем возбужденные атомы гелия при столкновениях с атомами неона возбуждают их, то есть переводят на один из верхних энергетических уровней, близко расположенных к соответствующему уровню гелия. Переход атомов неона с этого метастабильного уровня на один из нижних уровней E₂ сопровождается излучением с длиной волны l » 0,63 мкм.

Вопрос № 16 Образование энергетических зон в твердом теле. Квантовая модель свободных электронов в твердом теле. Уровень Ферми.