Спонтанное и вынужденное излучение. Инверсия заселенности энергетических уровней. Принцип работы лазера

1. Лекция 1.Спонтанное и вынужденное излучение 2.Инверсия заселенности энергетических уровней. 3.Принцип работы лазера.

2.

1. Атомы могут находиться в стационарных состояниях с
дискретными значениями энергии сколь угодно долгое
время, не излучая энергии.
1.1. Переход из одного стационарного состояния в
другое стационарное состояние сопровождается
поглощением
или
испусканием
кванта
электромагнитного излучения.
1.2.
При поглощении кванта электромагнитного
излучения электрон переходит на уровень с боольшим
ƴ
энергетическим значением, а сам атом переходит в
более высокоэнергетическое возбужденное состояние,
в котором может находиться только в течение 10-8 с.

3.

1.2.1.
Так
как
для
перехода
на
более
высокоэнергетический уровень необходимо строго
определенное значение энергии, то при возбуждении
атомов
квантами
электромагнитного
излучения
поглощаются только те кванты, энергия которых равна
разнице между энергиями исходного и конечного
состояний.
1.2.2.
Если вещество возбуждается излучением со
сплошным спектром, то поглощаться будут только те
кванты, энергии которых соответствуют энергиям
перехода электрона на более высокоэнергетические
уровни. В результате прохождения такого излучения через
вещество в спектре этого излучения появляются темные
линии, которые называются спектром поглощения.

4.

1.3.
Переход атома в основное состояние может
происходить как непосредственно, так и путем
последовательного перемещения электрона на уровни с
меньшей энергией.
1.4. Переход электрона на уровень с меньшей энергией
сопровождается испусканием кванта электромагнитного
излучения, энергия которого равна разности энергий
уровней исходного и конечного состояний.
1.5.
Так как возбужденных состояний может быть
достаточно много, то испускаемые кванты имеют
различную энергию, а, следовательно, различную длину
волны.

5.

1.6.Поскольку
возбужденные
состояния
имеют
дискретные значения энергии, совокупность испускаемых
квантов образует линейчатый спектр.

6.

1.6.1. Переходы электронов с высокоэнергетических
уровней на один какой-то уровень образуют серию
линий в спектре, параметры которой являются
характерными для данного элемента и отличаются от
параметров аналогичной серии другого элемента.
1.6.2.
Совокупность
серий
образует
спектр характеристического излучения вещества,
который является однозначной характеристикой данного
вещества.
1.6.3.
На
основе
измерений
параметров
характеристического
спектра
созданы
методы
спектрального анализа.

7.

2.
Испускание квантов возбужденным атомом в
отсутствие внешнего воздействия обычно происходит
спонтанно, а возникающее при этом излучение
называется спонтанным излучением.
2.1. При спонтанном испускании каждый квант возникает
случайным образом и имеет свою фазу колебаний и
поэтому спонтанное излучение не
обладает
временной
ƴ когерентностью.
2.2. В соответствии с квантовой теорией вероятность р
нахождения атома в состоянии с энергией ε подчиняется
распределению Больцмана
которое позволяет при заданном значении величины подводимой к
атому энергии определить способность электрона занять тот или
иной энергетический уровень.

8.

9.

2.3.
Количество электронов, одновременно
находящихся
на
энергетическом
уровне
называется заселенностью уровня.
2.4.
При отсутствии внешних воздействий
равновесная
при
данной
температуре
заселенность
уровней
поддерживается
спонтанным испусканием квантов.

10.

3.
Вид спектра спонтанного излучения зависит от
состояния атома, излучающего этот спектр.
3.1.
Изолированные атомы испускают излучение
с атомным спектром.
3.1.1. Состав атомного спектра для атома водорода и
водородоподобных ионов может быть легко рассчитан по
формуле Бальмера-Ридберга.
3.1.2. Для других атомов и ионов расчет атомных
спектров представляет более сложную задачу.
3.2.
Если
атомы
образуют
молекулу,
то
возникает молекулярный спектр (полосатый спектр).
Каждая полоса в этом спектре представляет собой
совокупность тесно расположенных спектральных линий.

11.

3.2.1. Как и в атомных спектрах, каждая линия
молекулярного спектра возникает в результате
изменения энергии молекулы.
3.2.2. Энергию молекулы можно представить в виде
W м = Wпост+Wвр+Wкол+Wэл+Wяд ,
где Wпост – энергия поступательного движения молекулы;WВР – энергия вращательного движения молекулы; Wкол – энергия колебательного движения
атомов молекулы друг относительно друга; Wэл–
энергия электронной оболочки молекулы; Wяд –
внутриядерная энергия молекулы.

12.

3.2.3. Энергия поступательного движения молекулы не
квантована и ее изменения не могут привести к
возникновению молекулярного спектра, а влияние на
молекулярный спектр в первом приближении можно не
учитывать.
3.2.4. По правилу частот Бора
,
где
,
,
– изменения соответствующих
частей энергии молекулы.
,

13.

3.2.5. Образование полос происходит из-за того, что
3.2.6. Молекулярные спектры имеют довольно сложный
вид.
3.2.6.1.
Спектр, обусловленный только переходом с одного
вращательного уровня на другой вращательный уровень
(вращательный спектр), располагается в далекой инфракрасной
области (длина волны 0,1 1 мм).
3.2.6.2.
Спектр, обусловленный только переходом с одного
колебательного уровня на другой колебательный уровень
(колебательный спектр), располагается в инфракрасной области
(длина волны 1 10 мкм).
3.2.6.3.
Спектр, обусловленный только переходом с одного
электронного уровня на другой электронный уровень (атомный
спектр), располагается в видимой, ультрафиолетовой

14.

3.2.6.4.
При изменении энергии колебательного
движения у молекулы может измениться и энергия
вращательного
движения.
При
этом
возникает
колебательно-вращательный
спектр,
который представляет собой колебательный спектр,
каждая линия которого сопровождается близко
расположенными линиями вращательных переходов.
3.2.6.5.
Переходы между электронными уровнями
молекулы часто сопровождаются переходами между
колебательными уровнями. В результате возникает
спектр, называемый электронно-колебательным, а,
поскольку колебательным переходам сопутствуют
вращательные переходы, то колебательные уровни в
электронно-колебательном спектре представляются в
виде размытых полос.

15.

16.

4. Переход атомов из более возбужденного состояния в
менее возбужденное состояние под влиянием
воздействия внешнего кванта электромагнитного
излучения называется вынужденным излучением.
4.1. Вероятность вынужденного излучения зависит от
энергии кванта, воздействующего на возбужденные
атомы. Максимальная вероятность возникновения
вынужденного излучения будет при равенстве энергии
возбуждающего кванта энергии перехода.

17.

4.1. Вероятность вынужденного излучения зависит от
энергии кванта, воздействующего на возбужденные
атомы. Максимальная вероятность возникновения
вынужденного излучения будет при равенстве энергии
возбуждающего кванта энергии перехода.
4.2.
При прохождении кванта через систему
возбужденных атомов возникает поток квантов, энергия
которых равна энергии возбуждающего кванта (эффект
оптического усиления).

18.

4.3. Поглощение света в веществе происходит в
соответствии с законом Бугера-Ламберта

19.

∝ 0 – натуральный показатель поглощения, а х – толщина
поглощающего слоя.
Усиление потока квантов при прохождении через
вещество аналогично отрицательному коэффициенту
поглощения (отрицательная адсорбция света).
4.4. Для среды с отрицательным коэффициентом
поглощения справедлив закон Бугера-ЛамбертаФабриканта
Интенсивность света резко возрастает с увеличением
толщины слоя.
4.5. Среда с отрицательным коэффициентом поглощения
называется активной средой.

20.

5. Между двумя энергетическими уровнями возможны
три типа переходов

21.

переход электрона в более высокоэнергетическое
состояние при поглощении кванта (1);
спонтанный
переход
электрона
в
менее
высокоэнергетическое состояние (2);
вынужденный
переход
электрона
в
менее
высокоэнергетическое состояние (3).

22.

5.1. Количество электронов на возбужденных уровнях
подчиняется
распределению
Больцмана
и
называется заселенностью уровня.
5.2.
При
обычной
схеме
излучения
заселенность N более высокоэнергетического уровня
меньше,
чем
заселенность
менее
высокоэнергетического уровня.
5.3. Число актов поглощения кванта пропорционально
заселенности N1 менее высокоэнергетического уровня,
а
число
актов
испускания
пропорционально
заселенности N2 более высокоэнергетического уровня.

23.

5.4. Натуральный показатель поглощения в законе БугераЛамберта пропорционален разности между числом актов
поглощения и испускания
где k – коэффициент пропорциональности.
5.5.
При обычной схеме излучения имеет место
больцмановское распределении электронов за счет
спонтанных переходов (
).

24.

5.6. За счет интенсивного возбуждения системы атомов
(накачка)
можно
добиться
такого
нарушения
больцмановского распределения, что N2 станет больше N1
(инверсная заселенность).
Тогда натуральный показатель поглощения становится
меньше нуля и мы получаем закон Бугера-ЛамбертаФабриканта.
6. Возникновение вынужденного излучения реализовано
в лазерах.

25.

6.1. Первоначально для получения вынужденного
излучения использовалась трехуровневая схема в
рубине, кристаллическая решетка которого содержит
примесь Cr, создающего узкий двойной
дополнительный уровень В в зоне возбужденных
состояний.

26.

6.1.1.
При возбуждении атомной системы светом
ксеноновой лампы (оптической накачке) большое
количество электроновпри поглощении квантов (1)
переводится с основного уровня А на возбужденные
уровни C и D.
6.1.2. Электроны с этих уровней посредством спонтанных
переходов (2) без излучения заселяют менее
высокоэнергетический уровень В, создавая на нем
инверсную заселенность. Энергия перехода при этом
передается кристаллической решетке и повышает
температуру вещества.
6.1.3. Переходы с инверсного уровня В на основной А
осуществляются под действием квантов с энергией,
соответствующей разности энергий между инверсным
уровнем и основным уровнем.

27.

6.2. Аппаратно схема лазера представляет собой
стержень А из активного вещества, ограниченный с
торцов двумя зеркалами – непрозрачным В и
полупрозрачным С.

28.

6.2.1. После накачки активного вещества первый же
переход с инверсного уровня на основной приводит к
образованию
кванта,
запускающего
процесс
возникновения лазерного излучения.
6.2.2. Распространение кванта в активной среде приводит
к инициации вынужденных переходов. Наибольшей
эффективностью в соответствии с законом БугераЛамберта-Фабриканта
обладают
кванты,
распространяющиеся вдоль стержня.
6.2.3. При отражении от полупрозрачного зеркала за
пределы активной среды выходит часть потока квантов,
которая и является лазерным излучением. Остальная
часть потока квантов возвращается в активную среду, для
инициации вынужденных переходов.

29.

6.2.4.
Небольшое
отклонение
направления
распространения квантов от оси кристалла устраняется
при помощи искривленной поверхности отражающих
зеркал В и С.
6.2.5.
Эффект квантового усиления значительно
увеличивается
при
многократном
прохождении
инициирующих квантов через активную среду.
6.2.6.
Инверсный уровень хрома состоит из двух
подуровней и потому излучение рубинового лазера
состоит из квантов с двумя длинами волн (0,6927 нм и
0,6943 нм).

30.

7. В настоящее время в качестве активной среды в
лазерах используются:
твердые тела (рубин; иттрий-алюминиевый гранат,
активированный неодимом; стекло, активированное
неодимом);
газы и газовые смеси (N2; CO; CO2; пары металлов);
жидкости
(растворы
полупроводники.
органических
красителей);

31.

7.1. Лазерное излучение в твердых телах возникает при
переходах между энергетическими уровнями примесных
атомов. Длина волны в пределах 0,35 06 мкм при
мощности до 1 кВт.
7.2. Лазерное излучение в газах чаще всего возникает при
электронно-колебательных переходах между различными
электронными состояниями (N2-лазер, эксимерные
лазеры) или на колебательно-вращательных переходах в
пределах одного электронного состояния (СО2-, СОлазеры). Длина волны в пределах
5 11 мкм при
мощности до 15 кВт.

32.

7.3. Лазерное излучение в жидкостях при электронных
переходах между энергетическими уровнями красителей.
Длина волны в пределах 0,2 5 мкм при мощности до 1,5
Вт. Возможна плавная перестройка длины волны.
7.4.
Инверсия заселенности в полупроводниковых
лазерах создается на переходах между состояниями в
валентных зонах полупроводникового кристалла, а не
между дискретными уровнями. Длина волны в пределах
0,75 30 мкм при мощности до 0,5 Вт.
0,5 10 мрад для газовых лазеров;
- 0,2 5 мрад для твердотельных лазеров.
Высокая плотность мощности в сфокусированном
пучке (до 1010 Вт/м2).
-

33.

8. Основными характеристиками лазерного излучения
являются:
Пространственная и временная когерентность
излучения. Время когерентности достигает 10-3 с. Это
соответствует длине когерентности примерно 105 м.
Хорошая монохроматичность излучения. Примесные
уровни значительно уже уровней основного вещества и
потому спектральная ширина излучения может не
превышать 10-11¸10-10 м.
Малая расходимость пучка:
- 0,5 10 мрад для газовых лазеров;
- 0,2 5 мрад для твердотельных лазеров.
Высокая плотность мощности в сфокусированном
пучке (до 1010 Вт/м2).

34.

Лазер(Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation — усиление света с помощью вынужденного
излучения).
Часто употребляется другое название лазеров —
оптические квантовые генераторы (ОКГ).
Усилители излучения, работающие в сантиметровом
диапазоне,
называются
мазерами
(Microwave
Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

35.

Первый мазер был создан в 1953 г. Н.Г. Басовым и Н.Г.
Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом.
В 1960 г. был создан первый лазер (Т. Мейман), в
котором рабочим телом был цилиндр из розового рубина.
Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 6
см. Стержень помещался внутрь резонатора ,
представляющего собой два плоских параллельных
зеркала. Одно из зеркал резонатора имело коэффициент
отражения равным единице, а второе ~0,92.

36.

Кристалл рубина — это окись алюминия (Al2O3) с
небольшой примесью хрома (Cr+++). Схема энергетических
уровней иона хрома показана на рисунке а,
принципиальная схема рубинового лазера — на рисункеб.
Рубиновый лазер работает в импульсном режиме.
Вначале кристалл рубина освещается мощным световым
импульсом от ксеноновой лампы, которая играет роль
лампы накачки. При этом большинство ионов хрома
переходит в возбужденное состояние S (на рисунок а —
переход 1-2). Процесс сообщения рабочему телу энергии
для перевода атомов в возбужденное состояние
называется накачкой.

37.

Схема энергетических уровней иона хрома
Рисунок а

38.

Принципиальная схема рубинового лазера
Рисунок б

39.

40.

Возбужденный уровень S показан на рисунке а в виде
полосы, так как на самом деле он представляет собой
совокупность близко расположенных возбужденных
уровней. Время жизни атома в состоянии S очень мало
10–8 с. За это время ион хрома переходит на
метастабильный
уровень
M
(переход
2-3)
и
задерживается на нем на время ~10–3 с. Большое время
жизни иона хрома на уровне M (в 105 раз больше, чем на
уровне S) обуславливает накопление ионов хрома на этом
уровне (создается среда с инверсной заселенностью).

41.

Далее процесс развивается следующим образом. Какойнибудь ион самопроизвольно (спонтанно) излучает фотон
и переходит в основное состояние (переход 3-1 на рис.а).
Если фотон движется под некоторым углом к оси
кристалла, он не вызовет генерации и покинет пределы
рабочего тела. Если же фотон движется в направлении оси
кристалла, то он многократно проходит путь З1З2, равный
расстоянию между зеркалами резонатора. Если n — число
отражений от одного из зеркал, то оптический путь
фотона увеличивается в n раз. В этом и состоит роль
резонатора: благодаря многократному прохождению
фотоном пути З1З2 увеличивается число его встреч с
ионами и, следовательно, увеличивается число актов
вынужденного излучения.

42.

Вторичные фотоны ничем не отличаются от первичного
(«затравочного») фотона и также многократно проходят
путь З1З2. Происходит лавинообразный процесс
нарастания числа фотонов. При этом одновременно
происходит опустошение уровня энергии T. Различные
стадии формирования лазерного импульса показаны на
рис. 35.5: б — начальная стадия — появление фотона,
движущегося вдоль оси кристалла рубина; в — развитие
генерации и г — возникновение лазерного импульса.
Лазерный импульс возникает за счет просветления
зеркала З2, когда энергия светового излучения,
заполняющего
резонатор,
достигает
некоторого
критического значения. Затем снова происходит вспышка
лампы накачки и процесс повторяется с частотой
несколько импульсов в минуту.

43.

К настоящему времени, кроме импульсных, разработаны
также лазеры непрерывного действия — это газовые и
полупроводниковые лазеры. Первый газовый лазер был
создан А. Джованом в 1961 г. на смеси неона и гелия.
Инверсная населенность уровней поддерживается
непрерывно с помощью газового разряда. Накачка
происходит в два этапа: 1) электроны, образующиеся в
разряде, возбуждают атомы гелия; 2) при столкновении
атомов гелия и неона происходит передача энергии в
направлении He - Ne. В результате создается инверсная
заселенность уровней энергии неона. В процессе
вынужденных переходов в основное состояние атомы
неона дают лазерное излучение с длиной волны =632,8
нм.

44.

1. Лазерные гироскопы , которые имеют ряд неоспоримых
преимуществ перед роторными гироскопами: высокая
чувствительность ( 10–3 град/ч), безынерционность,
нечувствительность к линейному ускорению. Их
использование в навигационной практике сдерживается
пока ограниченностью срока службы лазера, трудностями
калибровки прибора, необходимостью оснащения
прибора рядом вспомогательных систем.
2. Импульсные или фазовые дальномеры, дающие
возможность определять расстояние до объекта с
точностью до 5 см, и доплеровские локаторы,
измеряющие скорости движущихся объектов. Например,
доплеровский локатор на основе гелий-неонового лазера
позволяет измерить скорости движущихся тел в
диапазоне от 0,6 м/с до 8 км/с.

45.

3. Лазерные створы, которые используются для проводки
судов в узкостях и в условиях плохой видимости.
4. Метод дистанционного определения глубины моря,
основанный на регистрации времени запаздывания
лазерного импульса, отраженного от морского дна, по
отношению к импульсу, отраженному от поверхности
моря.
5. Дистанционная локация нефтяных загрязнений на
поверхности моря путем регистрации люминесценции
нефти, возбужденной лазерным излучением.