Emisja stymulowana

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Emisja stymulowana ( laser )

Promieniowanie stymulowane, promieniowanie indukowane - generowanie nowego fotonu podczas przejścia układu kwantowego ( atom , cząsteczka , jądro itp.) pomiędzy dwoma stanami (z wyższego na niższy poziom energetyczny ) pod wpływem fotonu indukującego, którego energia jest równa różnicy energii tych stanów ... Utworzony foton ma taką samą energię, pęd, fazę, polaryzację i kierunek propagacji jak foton indukujący (który nie jest absorbowany). Oba fotony są spójne .

Wstęp. Teoria Einsteina

Ryż. 1a. Absorpcja fotonów
Ryż. 1b. Stymulowana emisja fotonu
Ryż. 1c. Spontaniczna emisja fotonu

Wielki wkład w rozwój problemu emisji wymuszonej (emisji) wniósł A. Einstein, który w latach 1916 i 1917 opublikował odpowiednie artykuły naukowe. Hipoteza Einsteina mówi, że pod wpływem pola elektromagnetycznego o częstotliwości ω cząsteczka (atom) może:

  • przejść z niższego poziomu energii na wyższy z pochłanianiem fotonu przez energię (patrz rys. 1a);
  • przejść z wyższego poziomu energii do niższego z emisją energii fotonu (patrz rys. 1b);
  • dodatkowo, podobnie jak w przypadku braku pola wzbudzającego, spontaniczne przejście cząsteczki (atomu) z poziomu górnego na dolny z emisją fotonu o energii (patrz rys.1c).

Pierwszy proces nazywa się zwykle absorpcją, drugi to emisja wymuszona (indukowana), a trzeci to emisja spontaniczna. Szybkość absorpcji i emisji wymuszonej fotonu jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa odpowiedniego przejścia: oraz gdzie - współczynniki Einsteina dla absorpcji i emisji, - widmowa gęstość promieniowania .

Liczba przejść z pochłanianiem światła wyraża się jako

z emisją światła wyraża się wyrażeniem:

gdzie Czy współczynnik Einsteina charakteryzujący prawdopodobieństwo emisji spontanicznej, oraz - liczba cząstek odpowiednio w pierwszym lub drugim stanie. Zgodnie z zasadą równowagi szczegółowej w równowadze termodynamicznej liczba kwantów światła na przejściach 1 → 2 powinna być równa liczbie kwantów emitowane w przejściach odwrotnych 2 → 1 .

Związek między kursami

Rozważmy zamkniętą wnękę, której ściany emitują i pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne . Takie promieniowanie charakteryzuje się gęstością widmową uzyskany ze wzoru Plancka :

Ponieważ rozważamy równowagę termodynamiczną, to Korzystając z równań (1) i (2), znajdujemy dla stanu równowagi:

gdzie:

W równowadze termodynamicznej rozkład cząstek na poziomach energetycznych jest zgodny z prawem Boltzmanna :

gdzie oraz - wagi statystyczne poziomów, pokazujące liczbę niezależnych stanów układu kwantowego o tej samej energii (zdegenerowanej). Dla uproszczenia przyjmiemy, że wagi poziomów są równe jeden.

Porównując więc (4) i (5) i biorąc to pod uwagę otrzymujemy:

Ponieważ w gęstość widmowa promieniowania powinna rosnąć w nieskończoność, wtedy powinniśmy ustawić mianownik równy zero, skąd mamy:

Dalej, porównując (3) i (6), łatwo uzyskać:

Ostatnie dwie zależności obowiązują dla dowolnej kombinacji poziomów energii. Ich ważność utrzymuje się nawet przy braku równowagi, ponieważ są one determinowane tylko przez cechy systemów i nie zależą od temperatury.

Właściwości emisji wymuszonej

Pod względem właściwości emisja stymulowana znacznie różni się od emisji spontanicznej .

  • Najbardziej charakterystyczną cechą emisji wymuszonej jest to, że generowana fala elektromagnetyczna rozchodzi się w tym samym kierunku, co początkowa fala indukująca.
  • Częstotliwości i polaryzacja promieniowania stymulowanego i początkowego są również równe.
  • Wymuszony przepływ jest spójny z ekscytującym.

Podanie

Zasada działania wzmacniaczy kwantowych , laserów i maserów opiera się na emisji wymuszonej . W medium roboczym lasera poprzez pompowanie powstaje nadmierna (w porównaniu z oczekiwaniem termodynamicznym) liczba atomów w górnym stanie energetycznym. Korpus roboczy lasera gazowego znajduje się we wnęce (w najprostszym przypadku para luster), co stwarza warunki do akumulacji fotonów o określonym kierunku impulsu. Początkowe fotony powstają w wyniku emisji spontanicznej. Następnie, ze względu na obecność dodatniego sprzężenia zwrotnego, stymulowana emisja narasta jak lawina. Lasery są powszechnie używane do generowania promieniowania, podczas gdy masery RF są również wykorzystywane do wzmacniania.

Zobacz też

Literatura