§ 45. Лазеры

Вынужденное излучение

1. Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным. При этом атомы излучают фотоны разной частоты.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией Е₂ в состояние с энергией Е₁ и испустить при этом фотон с энергией hν = E₂ - E₁. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

Создание вынужденного излучения

2. Возникает вопрос, как получить вынужденное излучение. Дело в том, что при отсутствии внешнего воздействия, в условиях теплового равновесия большая часть атомов находится в невозбуждённом состоянии и обладает минимумом энергии. Если же перевести атом в возбуждённое состояние, повышая, например, температуру, то возникнет его самопроизвольный переход в состояние с минимальной энергией, поскольку обычно время, в течение которого атом может находиться в возбуждённом состоянии, равно 10^-8 с. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит фотон.

Поэтому для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Если в веществе число атомов в возбуждённом состоянии больше числа атомов в невозбуждённом состоянии, то движущийся в нём фотон с энергией, равной энергии перехода атома из состояния с энергией Е₂ в состояние с энергией Е₁, вызовет излучение. В результате появится второй фотон. Теперь уже два фотона будут взаимодействовать с двумя атомами и вызовут излучение ещё двух фотонов, затем четыре фотона будут взаимодействовать с четырьмя атомами и т. д. Таким образом, число излучённых фотонов увеличивается в геометрической прогрессии, что приводит к усилению света (амплитуды световой волны).

Продолжение >>>