Л <иер поглощение и вынужденное излучение

Равновесной тепловой населенностью всех уровней, кроме самого нижнего Ng, можно пренебречь Рассчитайте основные характеристики лазера на алюмо-иттриевом гранате с неодимом (N(1 У АС лазер) в режиме непрерьшной генерации мощность генерации при Г1 1,2, пороговую разность населенностей КПД. Длина волны изучения такого лазера = 1,06 мкм, = 0,55 мс, сечение поглощения (вынужденного излучения) в центре рабочего перехода о - 9 10" см ,л = 1,5, время жизни фотона в резонаторе 10 не. Му 5 10 см . [c.23]

К равенству единице отношения излучательной способности к поглощательной только в условиях черного тела, т. е. при равенстве излучательно-поглощательных условий. Второе определение утверждает, что полное поглощение — это индуцированное поглощение минус вынужденное излучение, т. е. вынужденное излучение рассматривается как отрицательное поглощение. Полное излучение — это просто спонтанное излучение. Это второе определение, по-видимому, справедливо для любых условий теплового излучения независимо от того, существует или не существует равновесие. Кроме того, второе определение лучше соответствует экспериментальному определению поглощения. Экспериментально нет возможности отделить индуцированное поглощение от вынужденного излучения. [c.326]

Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне е , происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне е . При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень е , что препятствует генерации света. Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Ей было больше числа атомов на нижнем уровне e , между которыми происходит переход. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Такое состояние вещества в физике называется активным или состоянием [c.119]

Первый член в формуле (17.3) выражает уменьшение, а второй — увеличение интенсивности света при его прохождении через среду толщиной dx благодаря процессам соответственно поглощения и вынужденного излучения. Поскольку Ву = Sgi и I =- vw (v), то из (17.3) получаем [c.380]

Итак, вместо двух процессов (излучение и поглощение света), которые обычно учитывают в термодинамике излучения, нужно исследовать три возможных вида переходов, введя вынужденное излучение (рис. 8.11). [c.428]

Этот же термин применяется и к явлению уменьшения разности заселенностей под влиянием вынужденного излучения и поглощения. [c.778]

Как известно, наряду со спонтанными переходами частиц вещества возможны вынужденные переходы (переходы, инициированные излучением). Процессы вынужденного испускания будут преобладать над встречными процессами резонансного поглощения, если обеспечена инверсия заселенностей уровней частиц (если верхние уровни заселены более плотно, чем нижние) в этом случае генерируется вынужденное излучение. По своим свойствам, например по степени монохроматичности и направленности, вынужденное излучение существенно отличается от спонтанного (люминесцентного). Оно обладает более высокой когерентностью, нежели люминесцентное излучение. [c.186]

Очевидно, что вынужденное излучение увеличивает интенсивность распространяющегося в среде светового потока с частотой V2l, т. е. действует обратно поглощению. Что касается спонтанного излучения, то его вкладом в увеличение интенсивности светового потока можно пренебречь по сравнению с вкладом вынужденного излучения, если световой поток распространяется в пределах малого телесного угла и имеет достаточно высокую спектральную плотность и (Т21). [c.279]

Из (6.2), (6.3) и (6.5) следует, что в этом случае поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для того чтобы излучение частоты V2l усиливалось в среде, должно выполняться обратное неравенство [c.280]

Таким образом, для генерации вынужденного излучения должны быть созданы условия, при которых N2 > т. е. должна наблюдаться инверсия населенности уровней. В ином случае поглощение будет преобладать над излучением. [c.62]

Коэффициент спонтанного перехода определяет вероятность спонтанного перехода изолированного атома в единицу времени с уровня m на уровень п. Коэффициенты вынужденного излучения и поглощения определяют вероятность соответствующих переходов в единицу времени при воздействии на атом потока энергии со спектральной плотностью, равной единице. [c.7]

Если энергетические уровни частицы не вырождены, то, как это следует из теории Эйнштейна, = т. е. коэффициент вынужденного излучения, соответствующий переходу с уровня т на уровень п, оказывается численно равным коэффициенту поглощения, определяемому переходом частицы с уровня п на уровень т. В общем случае коэффициенты и связаны следующим соотношением [c.7]

Представим себе систему, состоящую всего из двух уровней. В обычном состоянии, до облучения этой системы светом, как уже указывалось, населенности уровней подчиняются закону Больцмана. Таким образом, населенность нижнего уровня N превосходит населенность верхнего уровня N 2- Если теперь в данной системе произвести накачку светом частотой v. i, то возникнут два процесса — поглощение и вынужденное излучение. [c.19]

При квантовом описании возможность преобладания в ЛСЭ вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот волн, к-рые электрон способен излучить (сОц) и поглотить ((Оп)- Эго различие обусловлено отдачей, испытываемой электроном при излучении или поглощении кванта, а в ряде случаев также отклонением от эквидистантности спектра колебат. уровней электрона (напр., уровней электрона в однородном магн. поле, см. Ландау уровни). Т. к. в реальных условиях уширение спектральных линий, обусловленное конечностью времени пребывания в пространстве взаимодействия с волной (естеств. ширина линии), существенно больше разности частот (<йц—(о ), то вынужденное излучение и поглощение [c.565]

Пытаясь получить эту формулу из квантовых представлений, согласно которым поглощение и излучение света квантовой системой (молекулой или атомом) сопровождается переходом этой системы из одного энергетического состояния в другое, А. Эйнштейн в 1916 г. высказал гипотезу о наличии в природе процесса индуцированного излучения. Суть его заключается в том, что в квантовых системах, т. е. в системах с дискретными возможными состояниями, помимо спонтанных и безызлучательных переходов могут происходить так называемые вынужденные переходы, индуцированные электромагнитным полем. На рис. 1.2 схематически показаны все возможные виды переходов между двумя выделенными энергетическими состояниями I и 2, характеризуемыми энергиями Si и 82 соответственно. [c.13]

Соотношение (1.21) означает, что вероятности процессов вынужденных поглощения и излучения в пересчете на одно невырожденное состояние равны. [c.17]

Как уже указывалось, процессы индуцированного излучения сопровождаются усилением электромагнитных волн. Определим условия, при которых это возможно. С этой целью рассмотрим прохождение монохроматического когерентного излучения с энергией кванта через среду, частицы которой могут находиться в возбужденных состояниях / и 2 с энергиями возбуждения и 2, удовлетворяющими соотношению (1-8). Плотность частиц Б этих состояниях обозначим N и N2 соответственно. Так как фотоны гибнут за счет процессов поглощения и рождаются при вынужденном излучении, уравнение баланса плотности фотонов в пучке имеет вид [c.25]

Зависимость К от интенсивности излучения приведена на рис. 1.5. По мере роста превышения I над Is коэффициент усиления среды падает, стремясь (при / оо) к нулю. В этом случае процессы вынужденного поглощения и излучения становятся равновероятными. [c.28]

В предыдущей главе мы рассмотрели принципиальные вопросы, возникающие при изучении единственного атома, взаимодействующего с монохроматической световой волной и излучающего спонтанно и вынужденно фотоны. При этом остался в тени важный для практики вопрос о том, каким образом может быть приготовлена система, состоящая только из одного атома. Если атомы исследуемого вещества находятся в газовой фазе, то задача уединения единственного атома является решаемой, но достаточно сложной технической проблемой. Однако исследования в газовой фазе становятся даже в принципе невозможными для сложных органических молекул, так как многие из них уже при небольшом нагревании, предшествующем испарению, распадаются. Поэтому в последние несколько лет успешно развиваются методы исследования единичных молекул, внедренных в твердые матрицы, охлажденные до гелиевых и более низких температур [18-20]. В этом случае перед нами стоит проблема исследования поглощения и излучения света единственным примесным центром. Однако оптические электроны примесной молекулы или атома взаимодействуют не только с электромагнитным полем, но и с колебаниями атомов матрицы (фононами). Это электрон-фононное взаимодействие приводит к рождению и уничтожению фононов в процессе оптического перехода в примеси. Оно актуально даже при сверхнизких температурах, потому что процессы рождения фононов имеют место даже при абсолютном нуле. Поэтому в теорию, изложенную в предыдущей главе, необходимо включить взаимодействие оптических электронов примесного центра с фононами. Фононы и другие низкочастотные возбуждения твердой матрицы рассматриваются в данной главе. [c.53]

Спонтанное и вынужденное излучение поглощение [c.10]

В лазере используются три фундаментальных явления, происходящих при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного излучения и процесс поглощения. [c.10]

Поглощение и вынужденное излучение [c.34]

В этом разделе мы изучим некоторые особенности процессов поглощения и вынужденного излучения, происходящих в двухуровневой атомной системе под действием монохроматической электромагнитной волны, В частности, в нашу задачу будут входить 1) вычисление вероятностей поглощения W12 а вынужденного излучения W2, когда W 2 п W2 определяются выражениями (1.5) и (1.3) соответственно 2) введение и расчет сечений поглощения и излучения [см. формулы (1.4) и (1.6)] 3) определение двух новых параметров — коэффициента поглощения и коэффициента усиления, которые во многих случаях могут быть непосредственно измерены с помощью простых экспериментов. [c.34]

Вероятности поглощения и вынужденного излучения [c.34]

Отсюда мы видим, что вероятности поглощения и вынужденного излучения равны друг другу. Поэтому в дальнейшем, если нет необходимости в установлении различия между этими процессами, будем полагать W = W21 = Vi2 и I M l = I M la 1 = I M S I Выражения (2.36) и (2.37) принимают соответственно вид [c.38]

Данная глава, как мы условились в разд. 1.5, посвящена взаимодействию излучения с веществом. Это очень широкая область науки, иногда называемая фотофизикой. Здесь мы ограничимся обсуждением лишь явлений, имеющих непосредственное отношение к веществу, используемому как активная среда лазера. Вводный раздел посвящен теории излучения черного тела, на которую опирается вся современная физика излучения. Затем мы рассмотрим элементарные процессы поглощения, вынужденного излучения, спонтанного излучения и безызлучательной релаксации, На первом этапе это изучение будет проводиться ради простоты для разреженных сред и малой интенсивности излучения. Кроме того, будем вначале считать, что среда состоит только из атомов. Затем будут рассмотрены случаи высокой интенсивности излучения и плотных сред (когда возникают такие явления, как насыщение, суперизлучение, суперлюминесценция и усиленное спонтанное излучение). В последнем разделе мы обобщим некоторые из полученных результатов на более сложный случай молекулярной системы. Некоторые весьма важные, хотя и не столь общие вопросы, касающиеся фотофизики полупроводников, молекул красителей и центров окраски, мы кратко обсудим в гл. 6 непосредственно перед рассмотрением соответствующих лазеров. [c.25]

Но и в оптическом диапазоне вынужденным излучением нельзя пренебречь. Действительно, представим себе, что при проведенном выводе не учтено соответствующее число dN вынужденных переходов. Тогда нужно было бы приравнять число спонтанных переходов числу актов поглощения и вместо формулы Планка получилось бы некое выражение (которое также часто связывают с именем физика Вина), хорошо описывающее ход г,,у лигпь в области малых длин волн (г.е. когда hv кТ). Учет вынужденного излучения приводи к формуле Планка, отлично согласуюп ейся с опытом во всем оптическом диапазоне. [c.430]

Можно также заметить, что осмыслить понятие вынужденного излучения с позиций какой-либо одной теории света достаточно трудно. Для того чтобы описать усиление сигна та (( отрицательное поглощение-)), удобно по.тьзоваться терминами квантовой оптики, сводя вопрос к рождению новых фотонов при прохождении светом активной среды. Но при последующем описании свойств таких фотонов удобно пользоваться терминами и понятиями волновой оптики, указав, что фазы вторичных волн жестко связаны (полностью скоррелированы). [c.462]

При наличии инверсной населенности уровней энергии 2 и i активной среды ( 2> i), т. е. при выполнении условия N2lg2>N)gi (Ni, Nu 2, g — населенности н кратности вырождения уровней 2, i) вынужденное излучение превалирует над поглощением и свет с резонансной частотой ш = 2— i/h усиливается при прохождении через среду. Усиленный таким образом свет люминесценции активной среды называют излучением сверхлюминесценции. Для возникновения генерации вводят положительную обратную связь, располагая активную среду в оптическом резонаторе, который в простейшем случае представляет собой два параллельных зеркала. Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным для частичного вывода излучения. Пространственное распределение поля генерируемого излучения соответствует собственным колебаниям резонатора, называемым модами. Различают продольные и поперечные моды, относящиеся к распределению поля вдоль оси резонатора и в плоскости, перпендикулярной оси. Искусственное снижение добротности резонатора позволяет достичь значительного коэффициента усиления активной среды без возникновения генерации. Последующее быстрое включение добротности приводит к генерации мощных световых импульсов малой длительности (гигантских импульсов). [c.895]

Рассмотрим характер излучательных переходов, основываясь на классической работе Эйнштейна, который еще в 1917 г. ввел понятие о спонтанных и индуцированных переходах. Система, состоящая из двух уровней, показана на рис. 29. Если Е > Е , энергетический уровень 2 лежит выше уровня / и частица находится на уровне 2, то она может перейти на уровень /, испустив квант электромагнитного излучения Лv2l = Е — Е . При этом возможно как спонтанное, так и вынужденное излучение. Вероятность спонтанного излучения, т. е. того, что процесс произойдет за промежуток времени (И, составляет Л 21 При облучении происходит взаимодействие кванта излучения с частицами, составляющими систему, что приводит к одному из двух процессов переходу частицы с уровня / на уровень 2 (поглощение) или, если частица была возбуждена, к обратному переходу (испускание). Вероятность, что какой-то из процессов произойдет за время сИ, пропорциональна плотности излучения и (у) и поэтому может быть записана соответственно В12 и (V) (И и 21 и (V) си. [c.60]

Для эффективной работы активатор должен иметь широкую полосу или группу интенсивных полос поглощения, соответствующих переходам на уровни, лежащие выше метастабильного уровня. Причем вероятность безызлучательных переходов с этих уровней на ме-тастабильный уровень должна быть больше, чем на основной. Выполнение этого требования позволяет значительно увеличить кпд лазера. В спектрах поглощения активного материала должны отсутствовать линии поглощения на длине волны генерации лазера, поскольку это сделает эффект генерации вынужденного излучения неэффективным. [c.66]

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА — область физики, охватывающая исследования методов усиления, генерации и преобразования частоты эл.-магн. колебаний и волн (в широком диапазоне длин волн, включающем радио- и оптич. диапазоны), основанных на вынужденном излучении или нелинейном взаимодействии излучения с веществом. Осн. роль в К. э. играют вынужденное испускание и положит, обратная связь. В обычных условиях вещество способно лии1ь поглощать или спонтанно (самопроизвольно и хаотически) испускать фотоны в соответствии с Больцмана распределением частиц вещества по уровням энергии. Вынужденное испускание при этом не существенно. Оно начинает играть роль лигнь при отклонении ансамбля микрочастиц от распределения Больцмана. Такое отклонение может быть достигнуто воздействием эл.-магн. поля, электронным ударом, неравновесным охлаждением, инжекцией носителей заряда через по-тенц. барьер в полупроводниках и т. п. В результате таких воздействий (накачки) поглощение эл.-магн. волн веществом уменьшается и при выравнивании населённостей на. энергетич. уровнях, подвергающихся действию накачки, интенсивности поглощения и вынужденного испускания сравниваются и взаимно гасятся. При этом эл.-магн. волна, частота к-рой резонансна но отношению к частоте перехода между этими, энергетич. уровнями, распространяется в веществе без поглощения. Такое состояние наз. н а-сыщением перехода. [c.319]

Излучат. К. п. могут быть спонтанными ( самопроизвольными ), не зависящими от внеш. воздействий на квантовую систему и обусловленными её взаимодей-ствие.м с физ. вакуу.мом (спонтанное испускание фотона), и вынужденными (индуцированными), происходящими под действием внешнего эл.-.магн. излучения резонансной частоты v= (< — й)/А (поглощение и вынужденное испускание фотона) (см. Спонтанное излучение. Вынужденное излучение]. Вероятности излучат. К. п. определяются Эйкиглгейнд коэффициентами и могут быть рассчитаны методами квантовой электродинамики и квантовой механики. [c.333]

Квантовая интерпретация. Пусть в исходном состоянии все электроны находятся на р-и уровне Ландау (рис. 1, б). Поскольку неэквидистантность уровней невелика, волна может вызывать переходы с р-го как на более низкие (вынужденное излучение), так и на более высокие (резонансное поглощение) уровни. Для преобладания излучения над поглощением интенсивность спектра волны на частоте (Лр р,1 должна быть выше, чем на частоте Ыр,р 1, что и реализуется при сой ,.. [c.25]

Отличия и достоинства П. э. Подобно вакуумной и квантовой электронике П. э. основана на явлении индуцированного (вынужденного) излучения и поглощения эл.-магн. волн заряж. частицами в плазме. Но если вакуумная электроника рассматривает излучение потоков заряж. частиц, движущихся в электродинамич. структурах — металлич, либо диэлектрич. волноводах и резонаторах, то П. э. исследует излучение потоков заряж. частиц, движущихся в плазме, в плазменных волноводах и резонаторах (см. Волновод плазменный). Частота эл.-магн. излучения в вакуумной электронике определяется конечными геом. размерами волноводов и резонаторов, а в квантовой электронике — дискретностью энергетич. уровней излучателей (возбуждённых атомов и молекул) поэтому генераторы когерентного эл.-магн. излучения в вакуумной и в квантовой электронике узкополосны, менять их частоту плавно практически невозможно. В плазменных приборах частота зависит не только от геом. размеров волноводов и резонаторов, но и от п.чотности плазмы, поэтому излучатели в П. э. многомодовые меняя плотность плазмы, можно менять частоты в широком интервале.В этом заключается одно из существ, отличий и преимуществ П. э. Так, напр., частота продольных ленгмюровских колебаний холодной изотропной плаз.мы (в систе.ме ед. СС8Е) Шр = (3-10 Нр) / С", где Пр — плотность плазмы. При изменении реально используе.мой плотности плазмы в пределах (10 °—Ю ) см" можно возбуждать волны длиной X (10" —10 ) см, что перекрывает всю полосу СВЧ от субмиллиметрового и до дециметрового диапазона. При наложении на плазму внеш. магн. поля диапазон частот собств. мод эл.-магн. колебаний плазмы расширяется. [c.607]

В основе действия квантовых усилителей и генераторов лежит так называемое отрицательное поглощение. Сущность его заключается в том, что на поглощающую систему, содержащую некоторое количество возбужденных атомов, падает квант, соответствующий по значению кванту, который должен излучиться при переходе возбужденных атомов в нормальное состояние, и тогда из системы в одном направлении выйдут два кванта. Вместо того, чтобы поглотиться, падающий квант вынуждает излучиться второй квант, совпадающий с ним по частоте и направлению движения, т. е. создает вынужденное или индуцированное излучение. При этом испускаемая, т. е. генерируемая, световая волна оказывается точно в фазе с волной, которая была причиной ее возникновения. Вещество, содержащее большое количество атомов в возбужденном состоянии — активное вещество , — получается подачей электромагнитной энергии на длине волны, отличающейся от длины волны вынужденного излучения. Этот активизирующий процесс называется оптической накачкой. Таким образом, атомы переводятся в возбужденное состояние оптической нак -жой. Чтобы вынужденное излучение преобладало над поглоихетием, большинство атомов должно находиться в возбужденном состоянии. Активная среда помещается в резонатор, представляющий собой систему, подобную эталону Фабри и Перо. [c.69]

В предыдущих разделах были даны основные понятия процессов спонтанного и вынужденного излучений, а также поглощения. На языке фотонов эти процессы можно описать следующим образом (рис. 1.1) 1) в процессе спонтанного излучения атом, испуская фотон, переходит с уровня 2 на уровень 1 2) в процессе вынужденного излучения падающий фотон вызывает переход 2->-1, в результате чего мы получаем два фотона (падающий плюс испущенный) 3) в процессе поглощения падающий фотон поглощается, вызывая переход 1 2. Следует отметить, что а, 2 = 021, как показал Эйнщтейн еще в начале XX в. Это означает, что вероятности вынужденного излучения и поглощения равны друг другу. Поэтому в дальнейщем мы будем писать (Ti 2 = (Т21 = ст, понимая под а сечение данного перехода Число атомов в единице объема, находящихся на данном энергетическом уровне, будем называть населенностью этого уровня. [c.13]

ВОЛНОЙ частоты v, определяемой выражением (1.1). Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов 12, чем переходов 2->-1, и можно надеяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N2 = N )y процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (1.7) среда станет прозрачнойВ такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении. [c.16]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...