Жұтылу. Спонтанды және еріксіз сәуле шығару.

Энергиялары және екі кванттық күйді қарастырайық.

1.Жұтылу.Егер атом негізгі күйде 1 болса, онда сыртқы сәулелену әсерінен қоздырылған күйге 2 еріксіз өтеді.

2.Спонтанды сәуле шығару.Атом қоздырылған күйде 2 бола тұрып, спонтанды түрде (сыртқы әсерсіз), энергиясы болатын фотон шығарып негізгі күйге өте алады. Қоздырылған атоммен сыртқы әсерсіз фотон шығару процесі спонтанды сәуле шығару деп аталады. Спонтанды өтулердің ықтималдығы көп болған сайын қоздырылған күйдегі атомның орташа өмір сүру уақыты аз болады. Спонтанды өтулер өзара байланыспағандықтан, спонтанды сәуле шығару когерентті емес.

3.Еріксіз сәуле шығару.А. Эйнштейн зат пен сәулелену арасындағы термодинамикалық тепе-теңдікті бақылау нәтижесінде жұтылу және спонтанды сәулеленуден басқа үшінші әсерлесу түрі бар деп постулаттады.

Егер қоздырылған күйде 2 орналасқан атомға шартын қанағаттандыратын жиілігі бар сыртқы сәулелену әсер етсе, онда негізгі күйге 1 еріксіз өту (индукцияланған) іске асады және ол дәл сондай кванттың шығарылуымен қоса өтеді. Осылайша, еріксіз сәуле шығару процесіне екі фотон қатысады: бірінші фотон қоздырылған атомның сәуле шығаруына себепші болады, ал екінші фотон атомнан шығады.

Еріксіз сәуле шығару (екінші фотон) мәжбүрлеуші сәулеленуге (екінші фотон) теңбе –тең: жиілігі, фазасы, поляризациясы, таралу бағыты бірдей.

Сонымен, еріксіз сәуле шығару мәжбүрлеуші сәуле шығарумен когерентті, яғни шығарылған фотонның атомға түсетін фотоннан айырмашылығы жоқ.

Шығарылған фотондар бір бағытта қозғала отырып және қоздырылған атомды кездестіріп еріксіз өту процесіне себепші болады: фотондардың көбеюі жүреді.

Сәуле шығаруды күшейту үшін еріксіз сәуле шығарудың қарқындылығы фотондардың жұтылу қарқындылығын арттыруы қажет. Бұл үшін қоздырылған күйдің қоныстануы (қоздырылған күйдегі атомдар саны) негізгі күйдің қоныстануынан (негізгі күйдегі атомдар санынан) көп болуы қажет. Мұндай термодинамикалық тепе-тең емес күй инверсті қоныстанған күй деп аталады.

Жүйенің инверсті қоныстанған күйге өту процесі толтыру деп аталады (оптикалық, электрлік және т.б. әдістермен жүзеге асады).

Түсетін жарық шоғы күшейетін инверсті ортаактивті деп аталады. Мұндай орта үшін Бугер заңындағы жұтылу коэффициенті теріс болады.

Лазерлер.

Активті ортада сәуле шығарудың күшею эффекті оптикалық кванттық генераторларда немесе лазерлерде (Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation – LASER ) қолданылады.

Лазерлер жіктеледі:

- Активті ортаның түрі бойынша (қатты денелі, газдық, жартылайөткізгіштік және сұйықтық);

- Толтыру әдісі бойынша (оптикалық, жылулық, химиялық, электроионизациялық және т.б.);

- Генерациялау режимі бойынша (үздіксіз немесе импульсті әрекет).

Бірінші қатты лазер – рубинді(сәуле шығару толқын ұзындығы 0,6943нм) – үш деңгейлі схемада жұмыс жасайды: рубин кристалын толтыру ( ( қоспасымен) хром атомын қоздырылған қысқа өмір сүретін күйге 3 әкеледі (1 ). Ұзақ өмір сүретін күйде (метастабильді) 2сәуле шығармай өтетін процесс жүзеге асады – 2-деңгейде хром атомдарын «толтыру» болады.

Жеткілікті қатты толтыру кезінде олардың концентрациясы 2-деңгейде 1-деңгейге қарағанда көбірек болады, яғни 2-деңгейдің инверсті қоныстануы туындайды.

спонтанды көшу кезінде кездейсоқ туындаған әрбір фотон активті ортада екінші фотондардың көшкінін тудыруы мүмкін.

Лазерлік генерацияны бірнеше мәрте күшейту үшін оптикалық резонатор қолданылады – қарапайым жағдайда – арасында активті ортасы (кристалл немесе газы бар кювет) бар жалпы оптикалық осьте бір –біріне параллель орналасқан (немесе ойыс) қос айна. Кристалдың немесе кюветтің осьтеріне бұрыш жасап қозғалатын В және С фотондары активті ортадан беттіктің бүйірі арқылы шығады. Оптикалық осьтің бойымен қозғалатын А фотондары айналардан бірнеше мәрте шағылған соң және активті ортада күшейген соң жартылай мөлдір айнадан когерентті фотондардың тікелей бағытталған жарық шоғын тудыра отырып шығады.

Лазерлік сәуле шығарудың қасиеттері:

1. Уақытша және кеңістіктік когеренттілік. Когеренттілік уақыты с когеренттіліктің ұзындығына м сәйкес келеді. Бұл қарапайым жарық көзінен жеті ретке жоғары.

2. Қатаң сонохроматтылық ( м).

3. Энергия ағынының үлкен тығыздығы ( сипаттамалық шамалары ).

4. Шоқтардың бұрыштық таралуы өте аз (дәстүрлі оптикалық жарықтандыру жүйелерімен салыстырғанда, мысалы, прожектормен, есе аз).