Спонтанное и вынужденное излучение. Оптические квантовые генераторы

Лекции 9,10

Люминесценция

Наряду с температурным лучеиспусканием наблюдается свечение тел, вызванное превращением других форм энергии в световую - люминесценция. В зависимости от источника энергии различают: хемилюминесценцию, электролюминесценцию и фотолюминесценцию

Изучая свечение фосфора, гнилых деревьев, светлячков, В. В. Петров доказал, что оно обусловлено горением, окислением этих тел или составных его частей. При этом энергия химической реакции окисления частично превращается в световую - хемилюминисценция.

В электрическом разряде энергия, накопленная ионами и электронами, движущимися в электрическом поле, при их соударениях может излучаться в виде света - электролюминесценция.

При фотолюминесценции энергия поглощенного телом света затем вновь испускается в виде света обычно большей длины волны. Если свечение прекращается почти одновременно с прекращением свечения, то это - флуоресценция. Для других веществ (преимущественно твердых тел) имеет место затухающее послесвечение (минуты, часы) –фосфоресценция. При фотолюминесценции энергия поглощенного фотона может частично растрачиваться на различные внутримолекулярные процессы и отдаваться соседним молекулам. Поэтому энергия испускаемого фотона hn может оказаться меньше, чем hn₀, на величину A, оставшуюся в веществе, т.е.: . Обычно A>0, т.е. , и - правило Стокса. С повышением температуры могут наблюдаться антистоксовы случаи ( ), как и в явлении комбинационного рассеяния. Поскольку не все поглощенные телом фотоны "высвечиваются" обратно, то отношение излучаемой энергии к поглощенной люминесцирующим веществом, называется выходом (h) люминесценции. С.И.Вавилов установил, что выход люминесценции сначала растет пропорционально длине волны возбуждающего света, в некотором интервале выход остается постоянным, а затем быстро падает, как показано на рис.60. Это – закон Вавилова.

Люминесценция – это неравновесное излучение, избыточное над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний.

Спонтанное и вынужденное излучение. Оптические квантовые генераторы

Рассмотрим излучение газа, достаточно разреженного для того, чтобы можно было не считаться с влиянием взаимодействия между атомами на допустимые энергии стационарных состояний. Пусть газ находится в равновесном состоянии. Это не означает, что все его атомы имеют наименьшую энергию E₁ . Вследствие действия внешних факторов и соударений (хотя и редких) атомов друг с другом, часть атомов может перейти в возбужденное состояние с E₂, рис.60. Для многочисленного коллектива атомов можно утверждать, что имеется определенная вероятность такого перехода. Если в единице объема имеется N атомов в состоянии с E₁ , то число атомов, переходящих в некоторое возбужденное состояние с E₂ за время dt, определится:

,

при этом

,

где A₁₂ - коэффициент, определяющий вероятность перехода, рис.60. Знак минус указывает на убыль атомов в основном состоянии. Но возбужденные атомы могут вернуться в исходное состояние, излучив энергию E₂ - E₁, причем, если вероятность обратного перехода равна A ₂₁ , число атомов, переходящих в невозбужденное состояние, окажется равным:

где N₂₀ -концентрация атомов в момент t=0. A₁₂ и A₂₁ коэффициенты Эйнштейна для спонтанного излучения. В данном случае рассматривается только два энергетических состояния атомной системы, так называемая двухуровневая система.

Акты перехода отдельных атомов в невозбужденное состояние совершенно не зависят друг от друга, поэтому получаемое излучение будет монохроматичным, но не будет когерентным. Это излучение происходит самопроизвольно и называется спонтанным. Эйнштейн в 1916 г. указал на возможность другого типа излучения - вынужденного (самоиндуцированного). Оно возникает в случае, если атомы находятся в переменном электромагнитном поле, от которого могут получать дополнительную энергию. Число атомов, поглощающих эту энергию, пропорционально плотности энергии поля w, числу невозмущенных атомов N и промежутку времени dt

Однако под влиянием поля возбужденные атомы могут отдавать избыточную энергию в виде излучения, и число таких атомов будет равно:

где - число возбужденных атомов, В₁₂ и В₂₁ - соответствующие вероятности переходов (коэффициенты Эйнштейна), характерные для вынужденного поглощения и излучения.

При вынужденном излучении может произойти новое важное явление: Под влиянием фотона, энергия которого равна энергии фотонов, излучаемых данными атомами (это может быть фотон, испущенный одним из атомов вещества), возбужденные атомы сами будут излучать фотоны той же частоты, и это излучение окажется когерентным с падающим излучением.

В обычных условиях относительное число возбужденных атомов тем меньше, чем больше необходимая энергия возбуждения, и оно всегда мало по сравнению с числом атомов, находящихся в невозбужденном состоянии (N ₂ << N ₁), так что этот эффект незаметен. Однако у ряда веществ время пребывания электронов в атомах на некоторых энергетических уровнях относительно велико (до 10^-3 сек вместо 10^-9 сек). Пусть E₁, как показано на рис.62, соответствует энергии невозбужденного состояния атома. Пусть, кроме того, имеется много уровней с энергиями Е>>Е₂ (нормальное время пребывания t₁) и уровень Е₂ (увеличенное время пребывания t₂) .Воздействуем на вещество когерентным излучением с энергией E >E₃; в результате поглощения фотонов многие атомы перейдут в состояние с E₃ , а оттуда частично в состояние с E₂ и частично вернутся в невозбужденное состояние. Т.к. t ₂ относительно велико, то здесь может накопиться значительное число атомов. При достаточной интенсивности некогерентного воздействующего излучения (накачки) в состоянии 2 может оказаться достаточно много атомов. Если их будет больше, чем в состоянии 1, т.е. осуществится так называемая инверсная заселенность, или число переходов из состояния 2 в состоянии 1 будет превышать число переходов 1-2 (накачка таких переходов не вызывает, так как не содержит соответствующих им фотонов), то излучение энергии с частотой: будет преобладать над соответствующим поглощением (отрицательное поглощение).

При выполнении этих условий, т.е. после искусственного заселения уровня 2, под влиянием фотонов с этой частотой (переменного электромагнитного поля) может возникнуть вынужденное излучение, и большое число атомов быстро отдает свою энергию в виде когерентного излучения той же частоты.

Излучение может быть импульсным, если заселение уровня 2 производить через определенные промежутки времени, или же непрерывным, если это заселение производить постоянно.

Созданные на этом принципе когерентные источники света - лазеры - появились сравнительно недавно. Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated emission of Radiation,что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного (индуцированного) испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Активную среду с инверсной заселенностью энергетических уровней атомов при этом помещают между двумя строго параллельными зеркалами, рис.63 - это так называемый резонатор. Одно из этих зеркал отражает свет полностью (S₁), второе (S₂) - полупрозрачное. Рожденные в усиливающей среде фотоны, летящие почти перпендикулярно поверхности зеркал, испытывают между ними многократное отражение и тем самым создается усиление эффекта вынужденного излучения. Поэтому из полупрозрачного зеркала выходит очень узкий, почти параллельный пучок когерентного, линейно-поляризованного света.Угол раствора выходящего пучка очень мал – 2-3 угловых секунды.

Интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В августе и сентябре 1960 года в двух английских журналах появились его сообщения о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне волн. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (размером 1х1х1 см), две противоположные грани которого имели серебреное покрытие (они играли роль зеркал резонатора), периодически облучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одном из посеребренных граней кубика.

В том же 1960 году американским физикам А. Джавану, В. Беннету и Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в газовом разряде (рабочим веществом служила смесь гелия и неона). Начиная с 1961 года лазеры различных типов (твердотельные и газовые) прочно «поселяются» в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 годах в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.

С появлением лазеров удалось, наконец, осуществить голографическую запись теоретически предложенную в 1948 году французским физиком Габором. Стремительно начинает развиваться новое направление в оптике – нелинейная оптика. В 1961 году американский физик П. Франкен наблюдал в кристалле кварца генерацию второй гармоники излучения рубинового лазера. Проанализировав результаты опыта П. Франкена, советские физики С.А. Ахманови Р.В. Хохлов установили в 1962 году условия, при которых различные нелинейно-оптические явления (и в частности генерация оптических гармоник) должны протекать более эффективно; они же выдвинули идею параметрической генерации света. В период с 1961 по 1963 год были выполнены фундаментальные теоретические работы по нелинейной оптике группой советских ученых, возглавляемой Р.В. Хохловым, а также группой американских ученых, возглавляемой Н. Бломбергеном. В 1965 году вышла в свет фундаментальная монография С.А. Ахманова и Р.В. Хохлова «Проблемы нелинейной оптики».

К 1965 году нелинейная оптика сформировалась как развитое, самостоятельное направление современной оптики. К этому времени появились достаточно эффективные генераторы оптических гармоник и перестраиваемые параметрические генераторы света.

И лазерная техника, и оптическая голография, и нелинейная оптика находятся сейчас в стадии интенсивного развития. С полным основанием можно гордится тем, что среди основателей этих научно-технических направлений видное место занимают отечественные ученые: Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, В.А. Фабрикант, С.И. Вавилов, Р.В. Хохлов, С.А. Ахманов, Ю.Н. Денисюк, Г. Аскарьян, Б.М. Вул и многие другие. Выражением международного признания вклада советских ученых в создание и развитие квантовой электроники явилось присуждение в 1964 году Нобелевской премии академикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову.