ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Спонтанные и вынужденные переходы из "Физика лазеров " Согласно классическим представлениям, испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается с замедлением и ускорением электрических зарядов. Например, процесс спонтанного испускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора на излучение в течение некоторого промежутка времени, количественной характеристикой которого служит так называемое время жизни т. В результате излучаемая мощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве в форме сферических волн. [c.12] Испускание может быть спонтанным (самопроизвольным), т. е. происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения, и вынужденным — в результате воздействия внешнего излучения. Поглощение, естественно, всегда является вынужденным процессом. [c.13] Введем понятие вероятностей соответствующих переходов. Пусть имеется совокупность одинаковых частиц, которые могут испус- д. [c.13] Согласно постулатам Эйнштейна, число спонтанных переходов (в с см ) в единицу времени в единице объема с верхнего уровня на нижний (рис. 2.1) пропорционально количеству частиц на исходном уровне, т. е. [c.13] Рассмотрим связь между коэффициентами Эйнштейна. Пусть рассм атриваемый ансамбль находится во взаи-модействиии с электромагнитным излучением абсолютно черного тела. При установлении между ансамблем частиц и излучением термодинамического равновесия, при котором число переходов й и й - / за время сИ в единице объема одинаково (принцип детального равновесия), т. е. [c.14] Следовательно, если нет вырождения энергетических уровней, вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощением кванта равны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцировать излучение ансамбля частиц или быть поглощен им. [c.15] Таким образом, выше получена связь между коэффициентами Эйнштейна. Для определения абсолютных значений коэффициентов Эйнштейна необходимо третье независимое уравнение, которое может быть получено только с помощью квантово-механической теории. [c.15] Соотношения (2.17) и (2.18) являются основными для элементарных процессов излучения. В состоянии теплового равновесия высокие энергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому акты поглош.ения происходят гораздо чаш.е, чем акты индуцированного испускания. Общий энергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения. [c.16] В случае спонтанных процессов испускание фотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание фотонов — в направлении распространения падающего на частицу излучения. Вполне естественно, что вынужденное испускание можно рассматривать как процесс в известном смысле слова противоположный поглощению. Поэтому его еще называют отрицательным поглош ением. При этом под воздействием излучения при элементарном процессе поглощения число фотонов частоты уменьшается на единицу, а при элементарном процессе вынужденного испускания — увеличивается на единицу. [c.16] В заключение подчеркнем, что коэффициенты Эйнштейна определяются только свойствами квантовых частиц ансамбля и не зависят от поля излучения. [c.16] При отсутствии термодинамического равновесия распределение частиц по энергетическим уровням может быть произвольным , поэтому, если в основу определения температуры положить распределение Больцмана, то состояние системы, когда на нижнем уровне находится больше частиц, чем на верхнем, будет описываться положительной, а в противном случае — отрицательной температурой. В соответствии с таким определением температуры, если, например, в двухуровневой системе все частицы находятся на нижнем энергетическом уровне, то ей соответствует температура перехода, равная = + О К если же все частицы находятся на верхнем энергетическом уровне (полная инверсия системы), то —О К состоянию системы, когда верхний и нижний уровни населены одинаково (насыщение системы), соответствует сх)К. Схематически это показано на рис. 3.1. [c.17] Нарушение теплового равновесия до состояния систем с отрицательной температурой представлялось настолько невероятным, что до 40-х годов не предпринимались даже попытки получить инверсные состояния. [c.18] Физического смысла отрицательная температура не имеет это только способ описания инверсного состояния вещества, реализуемого в рабочем теле любого квантового генератора. Температура в термодинамике играет роль теплового потенциала. Поэтому вполне естественно, она может быть как отрицательной, так и положительной, как значение любого физического потенциала. [c.18] Дело в том, что интенсивность излучения абсолютно черного тела и его спектральный состав хорошо описываются формулой Планка, где единственным параметром, от которого зависит как интенсивность, так и спектральный состав излучения, является температура. Для сохранения температуры как параметра и в случае источников, не являющихся абсолютно черным телом, вводится понятие эффективной температуры Тэ. Под эффективной температурой источника подразумевается температура, которой должно обладать абсолютно черное тело, чтобы спектральные плотности излучения в заданном интервале частот излучения абсолютно черного тела и данного источника излучения были одинаковы. [c.18] Механизм возникновения излучения в квантовых генераторах существенно отличается от механизма, обусловливающего излучение в тепловых и люминесцентных источниках. [c.19] Скорость возвраш,ения системы в термодинамическое равновесие, как и время установления стационарного режима, зависит от температуры окружаюш,ей среды. Скорость изменения п —/Тз) очевидно, будет равна полной вероятности ухода частиц с верхнего уровня. [c.22] При больших расстояниях между уровнями и невысоких температурах, например комнатных (300 К), когда кТ, получаем, что 1/Л + 21 Величина т может изменяться в широких пределах — от единиц секунд до 10 с. [c.22] Естественно, чем больше вероятность неоптических переходов, тем быстрее возвращается система в состояние термодинамического равновесия. Наличие неоптических переходов препятствует выведению системы из равновесного состояния. [c.22] Таким образом, при отсутствии термодинамического равновесия распределение частиц между двумя уровнями может быть произвольным . Поэтому, если в основу определения температуры положить распределение Больцмана, то состояние системы, когда на более низком энергетическом уровне находится больше частиц, чем на более высоком, будет описываться положительной температурой перехода, в противном случае — отрицательной температурой перехода, а при насыщении — равной бесконечности. [c.22] Явления поглощения и вынужденного испускания всегда сосуществуют, представляя две неразрывные стороны одного и того же процесса взаимодействия света с веществом. Вынужденное излучение, лежащее в основе действия квантовых усилителей и генераторов — процесс, обратный процессу поглощения электромагнитных волн атомными и молекулярными системами. Именно поэтому вынужденное испускание часто называют отрицательным поглощением. [c.23] Вернуться к основной статье