Беседы о физике и технике

Именно дискретностью энергетического спектра, как нам известно, объясняется линейчатый характер спектра испускания или поглощения электромагнитных волн атомами.

Приведенная выше формула выражает закон сохранения энергии при элементарных актах испускания или поглощения фотонов атомами.

Возбужденный атом может отдать свою некоторую избыточную энергию, полученную от внешнего источника или приобретенную им в результате теплового движения электронов, двумя различными способами.

Всякое возбужденное состояние атома неустойчиво, и всегда существует вероятность его самопроизвольного перехода в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Он носит нерегулярный, хаотический характер.

Если одновременно возбудить большую группу атомов, то при известной вероятности спонтанных переходов можно утверждать, что по истечении некоторого времени какая-то часть атомов в среднем должна совершить акты спонтанного испускания. При этом в силу случайного характера явления само излучение может испускаться в окружающую среду по любым равновероятным направлениям. Все обычные источники (лампы накаливания, газоразрядные трубки и т. п.) дают свет в результате спонтанного испускания.

Таков первый механизм испускания электромагнитного излучения атомами. Подведя итог вышеизложенному, можно утверждать, что мы имели дело с двухуровневой схемой испускания света и что в этом случае никакого усиления излучения добиться не удастся. Действительно, если атом поглотил какое-то количество энергии hv, то через некоторое время этот атом выделил энергию в виде кванта, но той же самой энергии hv. В этом случае мы имеем дело с самопроизвольным процессом, не связанным ни с какими внешними воздействиями и присущим изолированному атому, т. е. со спонтанным испусканием. Следовательно, при двухуровневой системе в газе каждый атом может находиться только в двух состояниях: Е₁ — основное состояние, Е₂ — возбужденное состояние.

В этом случае говорят о термодинамическом равновесии, в котором находится газ. В состоянии равновесия процессы возбуждения из-за постоянно действующих внутренних (микроскопических) процессов возбуждения (например, столкновений атомов газа) всегда уравновешены обратными процессами девозбуждения.

Перейдем к рассмотрению более сложной модели — трехуровневой схеме, представленной на рис. 43.

Рис. 43.Трехуровневая схема испускания атомом

Заметим, что существует и четырехуровневая схема, но она значительно сложнее трехуровневой (хотя принципиальная картина процессов, происходящих в атоме, остается той же самой), и мы ее рассматривать не будем.

В атомах вещества при термодинамическом равновесии на каждом последующем возбужденном уровне находится меньше электронов, чем на предыдущем.

Если теперь подействовать на систему возбуждающим излучением с частотой, попадающей в резонанс с переходом между уровнями 1 и 3 (схематично 1 —> 3), то атомы будут поглощать это излучение и переходить с уровня 1 на уровень 3. Если интенсивность излучения достаточно велика, то число атомов, перешедших на уровень 3, может быть весьма значительным и мы, нарушив равновесное распределение населенностей уровней, увеличим населенность уровня 3 и уменьшим, следовательно, населенность уровня 1.

С верхнего третьего уровня возможны переходы 3 —> 1 и 3 —> 2. Оказалось, что переход 3 —> 1 приводит к испусканию энергии Е₃ — Е₁ = hv₃₁, а переход 3 —> 2 не является излучательным: он ведет к заселению «сверху» промежуточного уровня 2 (часть энергии электронов при этом переходе отдается веществу, нагревая его). Этот второй уровень носит название метастабального, и на нем в итоге окажется атомов больше, чем на первом. Именно на этом уровне происходит накопление возбужденных атомов. Поскольку атомы на уровень 2 поступают с основного уровня 1 (через верхнее состояние 3), а обратно на основной уровень возвращаются с «большим запаздыванием», то уровень 1 «обедняется».

В результате и возникает инверсия, т. е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Если N₁ — число атомов в состоянии 1, a N₂ — число атомов в состоянии 2, то при инверсии N₂ > N₁ и генерируются фотоны с энергией hv₂₁ = E₂ — Е₁. Следовательно, инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемым излучением накачки, и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде. Это индуцированное излучение явилось физической основой создания лазера — источника, в котором рождаются «кванты-близнецы», т. е. когерентные, строго направленные узким пучком электромагнитные волны.

На рис. 44 приводится схема, поясняющая поглощение и испускание спонтанного и индуцированного излучения.