Спонтанне і індуковане випромінювання. Квантові генератори
Спонтанне і індуковане випромінювання
Перехід квантової системи (атома, йона, молекули) з одного енергетичного стану в інший супроводжується випромінюванням або поглинанням кванта електромагнітного випромінювання. Досі ми говорили лише про такий механізм випромінювання (теплового випромінювання, люмінесценції), за якого атом переходить на нижчий енергетичний рівень спонтанно (самодовільно, без будь-якого зовнішнього впливу).
Перейти на нижчий енергетичний рівень та випромінити квант енергії квантова система може і під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Таке випромінювання називається вимушеним (індукованим). Характерною особливістю вимушеного випромінювання є те, що воно тотожне первинному падаючому на речовину випромінюванню, тобто збігається з ним за частотою, напрямками поширення і поляризації та когерентне у всьому об’ємі речовини. Цю особливість використовують у джерелах потужного когерентного випромінювання - квантових генераторах (лазерах, мазерах).
У 1916 році Ейнштейн показав, що закон випромінювання Планка для абсолютно чорного тіламоже бути виведений виходячи з наступних статистичних напівкласичних уявлень:
Електрони в атомах перебувають на дискретних енергетичних рівнях;
При переході електронів між цими рівнями, атом поглинає або випромінює фотони.
Крім того, вважалося, що випромінювання і поглинання світла атомами відбувається незалежно одне від одного і що теплова рівновага в системі зберігається за рахунок взаємодії з атомами. Розглянемо порожнину, яка перебуває в тепловій рівновазі й заповнена електромагнітним випромінюванням, яке може поглинатися і випромінюватися речовиною стінок. У стані теплової рівноваги спектральна густина випромінювання, яка залежить від частоти фотона, в середньому не повинна залежати від часу. Це означає, що ймовірність випромінювання фотона будь-якої заданої частоти повинна бути рівна ймовірності його поглинання.
Вимушене випромінювання (в якому фотони ніби «клонують» себе) було передбачене Ейнштейном і призвело до винайдення лазера. Висновки Ейнштейна стимулювали подальший розвиток квантових уявлень про природу світла, які привели до статистичної інтерпретації квантової механіки.
Квантові генератори та їх застосування
У 1954 р. російські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров та незалежно від них у 1955 р. американський фізик Ч. Таунс створили перший квантовий підсилювач електромагнітного випромінювання в діапазоні радіохвиль так званий мазер. У 1964 р. вони були удостоєні Нобелівської премії за фундаментальні праці в галузі квантової електроніки. У 1960 р. американський фізик Т. Мейман створив на кристалі рубіна перший квантовий генератор оптичного діапазону, названий лазером.
Рубіновий лазер складається з кристала рубіна (оксид Алюмінію АІ2О3 з домішками Хрому), виготовленого у формі стрижня з плоскопаралельними торцями.
Хвиля, що проходить вздовж осі кристала, багато разів відбивається від спеціальних дзеркал, які наносяться на торцях кристала і утворюють так званий резонатор. Хвиля індукованого випромінювання збуджених атомів хрому швидко підсилюється. Через один із торців стрижня (напівпрозорий) виходить потужний короткочасний імпульс червоного світла. Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Але є лазери безперервної дії. Наразі розроблено різні лазери на склі, газах, напівпровідниках і т. ін.
Дія лазера починається із збудження атомів хрому і їх переходів на енергетичні рівні F1 і F2. Потім кожен збуджений атом спонтанно (мимоволі, тобто невимушено) випромінює квант (нелазерного випромінювання) і, втративши частину своєї енергії, переходить на метастабільний рівень E. Далі, під впливом кванта, що вимушує, з лазерною довжиною хвилі (такі кванти є у випромінюванні лампи накачування) атом випромінює ще один такий же квант, узгоджений за фазою з тим, що вимушує, і переходить на свій основний енергетичний рівень.
Важливим технічним пристроєм, що використовує фотони, є лазер. Його робота базується на явищі вимушеного випромінювання. Лазери застосовуються в багатьох областях технології. Технологічні процеси (зварювання, різка і плавлення металів) здійснюються, переважно, газовими лазерами, які мають високу середню потужність. В металургії вони дозволяють отримати надчисті метали. Надстабільні лазери є основою оптичних стандартів частоти, лазерних сейсмографів, гравіметрів та інших точних фізичних приладів. Лазери з перестроюваною частотою (наприклад, лазер на барвниках) здійснили революцію в спектроскопії, суттєво підвищили роздільну здатність та чутливість методу аж до спостереження спектрів окремих атомів. Лазери також застосовуються в медицині як безкровні скальпелі, при лікуванні очних та шкірних захворювань. Лазерна локація сприяла уточненню систем космічної навігації, розширила знання про атмосфери і будову поверхні планет, дозволила виміряти швидкість обертання Венери та Меркурія, суттєво уточнила характеристики руху Місяця і планети Венера у порівнянні з астрономічними даними. З використанням лазерів намагаються вирішити проблему керованого термоядерного синтезу. Лазери широко використовуються в побуті (лазерні принтери, DVD, лазерні указки та ін.).
Гелій-неоновий лазер. Світний промінь в центрі — це електричний розряд, який породжує свічення. Промінь проектується на екран справа у вигляді світної червоної точки.
Завдання для самостійного дослідження
Опис
Створіть лазер накачуванням камери фотонним пучком. Управляйте енергетичними станами атомів лазера для контролю його роботи.
Приклади навчальних цілей
Опишіть, як працюють поглинання і спонтанне та вимушене випромінювання і поясніть, які мають бути умови для кожного випадку.
Опишіть, як працює лазер.
Поясніть вимоги до генерації з точки зору інтенсивності та довжини хвилі лампи, віддзеркалення дзеркал, часу збудженого стану атома.
Відремонтуйте зламаний лазер.