Индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Если считать, что индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. В основном состоянии индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Тогда индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru - в основном состоянии энергия атома точно определена. Однако каждый возбужденный уровень энергии имеет конечную ширину, которая определяется временем жизни атома в этом состоянии. Спектральная линия излучающего атома имеет конечную ширину. Ширина спектральной линии определяется шириной уровней энергии, между которыми происходит переход. Обычно ширина уровней энергии мала. Например, для оптических переходов: индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru эрг индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru эВ. (2.91)

Так же мала относительная неопределенность в частоте или длине волны излучения:

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . (2.91а)

Естественная ширинаспектральной линии - обусловлена конечным временем жизни атома в возбужденных состояниях: частота линии излучения «размазана» в интервале индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Зависимость интенсивности излучения от частоты определяет форму спектральной линии. Модель атома в виде колеблющегося затухающего диполя:

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . (2.92)

Спектр Фурье индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru функции индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru определяется формулой:

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . (2.92а)

Интенсивность излучения на частоте индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru :

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . (2.92б)

Форма спектральной линии описывается функцией: индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru (2.93)

Функция индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru - форм–фактор спектральной линии, или форма линии. Это - кривая Лоренца (рис.2.30). Форм–фактор нормируют таким образом, чтобы индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Лоренцева кривая имеет острый максимум при индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , и быстро спадает с удалением от индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Ширина лоренцевой кривой индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru определяется по половине ее максимального значения. Видно, что индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Это соответствует соотношению неопределенностей.

Если излучение возникает при переходе между возбужденными уровнями энергии индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru и индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , то величина индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru есть сумма индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , где индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru – времена жизни уровней индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru и индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru .

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru Естественное уширение спектральной линии отражает наименьшую «размытость» спектральной линии. При этом уширенными являются как линии излучения, так и линии поглощения. Уширение спектральных линий вызывают процессы, приводящие к уменьшению времени жизни атома.

Измерение времени жизни атома в возбужденном

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru состоянии проводится различными методами. Это прямыеи косвенные методы. Прямыми методами время жизни определяется непосредственно по наблюдению затухания интенсивности излучения. Косвенные методы основаны, главным образом, на измерении времени жизни по кривым поглощения. Допустим, что электромагнитное излучение частоты индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru с плотностью потока энергии индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru падает на слой вещества толщиной индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru (рис.2.31). При прохождении этого слоя поток ослабляется вследствие поглощения атомами вещества. Уменьшение плотности потока индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru ,

где индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru коэффициент поглощения. Таким образом, плотность потока излучения на расстоянии x от плоскости падения изменяется по закону Бугера(1729): индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . (2.97)

индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru Илучение более всего поглощается на частоте, совпадающей с частотой перехода между двумя уровнями энергии, при этом линия поглощения характеризуется некоторой конечной шириной. Коэффициент поглощения имеет острый максимум на частоте перехода (рис.2.32). Пусть, что на верхнем уровне индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru находится индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru атомов в единице объема вещества, на нижнем уровне индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru - индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru .За единицу времени в единице объема вещества происходит индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru переходов атомов с вынужденным испусканием. Здесь явно введен форм–фактор индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , чтобы учесть «размазанность» частоты. индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru - это число поглощаемых фотонов за единицу времени в единице объема. Каждый фотон несет энергию индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Следовательно, разность индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru определяет энергию излучения в единице объема вещества за единицу времени. Помножив эту разность на толщину слоя dx, получим выражение для изменения энергии излучения за единицу времени на единице площади - выражение для изменения плотности потока энергии: индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru .

Учтем соотношение индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , где индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru – скорость распространения излучения в данной среде, индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru – показатель преломления. индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . (2.99)

Измеряя площадь найденной кривой поглощения, можно вычислить время жизни атома индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru в возбужденном состоянии. Практически площадь находят как произведение индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru .

Если концентрация индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru превышает индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , то коэффициент поглощения индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru становится отрицательным - возникает отрицательное поглощение. В результате происходит усиление излучения. Для того, чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо обеспечить инверсную, т.е. обращенную, населенность энергетических уровней. Населенность - величин индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru . Неравенство индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru -основное условие индуцированного усиления.Среда, в которой осущ инверсная населенность энергетических уровней - активная среда.«инверсная населенность энергетических уровней»=«отрицательная абсолютная температура».

. Если коэффициент усиления превосходит суммарный коэффициент потерь, то активная среда становится усилителем для проходящего через нее электромагнитного излучения. Чтобы среда стала генераторомизлучения, необходимо использовать положительную обратную связь.

Важной особенностью активной среды является не только то, что она усиливает проходящее через нее электромагнитное излучение, но при этом происходит сужение спектра излучения(монохроматичность).. Таким образом, современные квантовые генераторы электромагнитного излучения являются источниками когерентного монохроматического излучения

Работа квантового генератора любого типа требует выполнения двух резонансных условий:

1. Классическое условие: резонанс волна-резонатор.На длине резонатора должно укладываться целое число полуволн генерируемого излучения. Если L – длина резонатора, индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru – длина волны излучения, то должно быть индуцированного усиления электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры - student2.ru , где s – целое число.

2. Квантовое условие: резонанс волна–атом. Энергия каждого фотона генерируемого излучения должна быть равна энергии перехода между двумя рабочими уровнями активной среды.

Наши рекомендации