Laserul este un dispozitiv cuantic, așa că mai întâi trebuie să ne întoarcem la întrebările de optică cuantică și să luăm în considerare procesele de absorbție și stingere de către atomii de quanta a radiațiilor electromagnetice.
Atomul poate fi în diferite stări de energie cu valori discrete ale energiei E1. E2, etc. În teoria lui Bohr, aceste state sunt numite staționare. De fapt, starea staționară în care atomul poate rămâne nelimitat în absența tulburărilor externe este numai starea cu cea mai mică energie. Această stare este numită de bază. Toate celelalte state sunt instabile. Ca regulă, un atom excitat poate rămâne în aceste state doar într-un timp foarte scurt, de ordinul a 10 -8 s. apoi trece în mod spontan într-una din stările cele mai de jos, emite o cantitate de radiație electromagnetică ușoară (foton). Frecvența sa w12 este determinată de starea frecvențelor Bohr: (din al doilea postulat al lui Bohr, aici constanta lui Planck).
Radiația emisă în timpul tranziției spontane a unui atom dintr-o stare cu energia E2 în alta cu energia E1 (E1 La unele niveluri de energie, atomul poate rămâne mai lung - aproximativ 10-3 s. Astfel de nivele se numesc metastabile. atom lumina zilei la o stare de energie mai mare (cu E2 energie) poate avea loc la absorbția de rezonanță a unui foton a cărui energie este egală cu diferența de energie dintre un atom în stările finale și inițiale. Tranzițiile dintre nivelurile energetice ale unui atom nu sunt neapărat legate de absorbția sau emisia de fotoni. Un atom este capabil să dobândească sau să renunțe la o parte din energia sa și să meargă la o altă stare cuantică ca rezultat al interacțiunii cu alți atomi sau coliziuni cu electroni. Astfel de tranziții sunt numite nonradiative. Pentru a explica observate în experimentul echilibrului termodinamic între substanță și emisă (absorbabile), ele lumina de emisie A. Einstein în 1916, postulat formulat că adăugarea de absorbție și radiație spontană trebuie să existe trei tip calitativ diferite de interacțiune. Sa sugerat că tranziția unui electron dintr-un atom de nivelul superior la cel mai mic de energie poate avea loc sub influența unui câmp electromagnetic extern, a cărui frecvență este egală cu frecvența naturală a tranziției. Radiația rezultată a fost numită indusă sau indusă. Stimulat de emisie spontană caracterizată prin aceea că interacțiunea fotonilor atom excitat cu un alt atom emite un foton de aceeași frecvență de înmulțire în aceeași direcție. La risynke 1 prezintă schematic aranjamente posibile ale tranzițiilor între atom stări dvumyaenergeticheskimi cu absorbție sau emisie cuantică.
Figura 1 - Imaginea condiționată a proceselor de absorbție (a), emisia spontană (b) și emisia indusă de un cuantum (c)
În limbajul teoriei undelor, acest lucru înseamnă că atomul emite un val electromagnetic cu frecvență, fază, polarizare și direcție de propagare, exact la fel ca în valul original. Ca urmare a emisiei forțate de fotoni, amplitudinea propagării valurilor în mediu crește. Din punctul de vedere al teoriei cuantice, ca urmare a interacțiunii unui atom excitat cu un foton a cărui frecvență este egală cu frecvența de tranziție, apar doi fotoni identici identici, cei doi. Emisia stimulată este baza fizică a funcționării laserelor. Numele ei însiși este alcătuit din primele litere ale expresiei limba engleză: „amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații“ «Lumina de Amplification Stimulat de emisie de radiatii» (laser), ceea ce înseamnă
Luați în considerare stratul unui mediu optic a cărui atomi pot fi în stadiile 1 și 2 cu diferența de energie E = E2 - E1> 0. Să presupunem că în acest strat radiația frecvenței de rezonanță a tranziției w = # 916; E / ž. Conform distribuției Boltzmann, la echilibru termodinamic 6óproc număr eed de atomi ai substanței va fi în starea de energie inferioară 1. Unii dintre atomii vor fi localizate în starea de energie superioară 2 pentru a obține energia necesară în timpul ciocnirilor cu alți atomi. Notăm populația din nivelurile inferioare și superioare, respectiv, de n1 și n2 Pentru ca undele electromagnetice trecând prin stratul de materie să crească, este necesar să se creeze în mod artificial condiții în care n2> n1. adică să creeze o populație inversată de niveluri. Un astfel de mediu este termodinamic neechilibru. Ideea folosirii mediilor de echilibru pentru obținerea amplificării optice a fost inițial prezentată de fizicianul sovietic V.A. În 1940, fizicienii sovietici N.G. Basov, A.M. Prokhorov și independent de aceștia, omul de știință din Statele Unite, Ch. Townes, a folosit fenomenul de emisie indusă pentru a crea un generator de unde radio cu microunde # 955; = 1.27 cm. În 1964, pentru dezvoltarea unui nou principiu de amplificare și generare de undă radio, toți cei trei cercetători au primit Premiul Nobel.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: