Спонтанное излучение, индуцированное излучение и поглощение

Спонтанное излучение, индуцированное излучение и поглощение [c.265]

Первое (ограниченное) определение утверждает, что полное испускание представляет собой сумму индуцированного излучения и спонтанного, тогда как полное поглощение является только индуцированным поглощением. Эта формулировка приводит [c.325]

Таким образом, коэффициенты Эйнштейна для вынужденного излучения и поглощения оказываются равными. (Для вырожденных уровней с кратностями вырождения и g2 имеет место более общее соотношение Отметим еще раз, что для получения более точной формулы для излучения (1.13) оказалось совершенно необходимым ввести в рассмотрение два различных процесса излучения, а именно спонтанное и вынужденное излучение. При постоянной спектральной плотности энергии доля индуцированного излучения убывает по мере возрастания частоты. [c.19]

Эйнштейн, что электромагнитное поле вызывает не только переходы из основного состояния в возбужденное, но и обратные переходы из возбужденного состояния в основное, сопровождающиеся испусканием фотонов. Такие переходы под действием внешнего поля в отличие от спонтанных получили название индуцированного или вынужденного (стимулированного) излучения. Индуцированное излучение, как и спонтанное, имеет классический аналог. Осциллятор в поле световой волны будет совершать вынужденные колебания. В неустановившемся режиме вблизи резонанса в зависимости от соотношения фаз между колебаниями осциллятора и внешнего поля энергия может переходить как от поля к осциллятору (поглощение), так и от осциллятора к полю (вынужденное испускание). [c.440]

В состоянии термодинамического равновесия вероятность заполнения какого-либо энергетического уровня уменьшается с увеличением его энергии. Таким образом, в квантовой системе число частиц П2, находящихся в состоянии Е2, меньше, чем число частиц Hi в состоянии El. Другими словами, населенность верхнего уровня меньше, чем населенность нижнего. Кроме спонтанного и индуцированного излучения в такой системе может также происходить и поглощение электромагнитной энергии. Фотоны с энергией hv = E2—El поглощаются, а частицы с уровня Ei переходят на уровень Е2. Так как i> 2, поглощение является доминирующим. Индуцированные переходы 2-> i в этом случае лишь уменьшает коэффициент поглощения. [c.316]

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]

Рис. 1.1. Процессы излучения, связанные с переходами между атомными уровнями 1 и 2 (сп — спонтанное испускание, i — индуцированное испускание, А — поглощение).

Полученные таким образом уравнения принято называть уравнениями баланса (в литературе на английском языке они называются скоростными уравнениями). Их довольно легко составить. Для вывода следует воспользоваться поперечным сечением поглош,ения (его можно определить экспериментально или вычислить с помош,ью квантовой теории, ср. п. 1.3.3) и выразить изменения населенностей системы уровней и числа фотонов поля излучения, вызванные различными процессами, такими, как индуцированное и спонтанное излучение, поглощение и релаксация. Мы придем таким образом к системе нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, определяюш,ей изменения всех величин. Рассмотренная выше двухуровневая система оказывается для многих процессов недостаточной, и часто приходится учитывать по крайней мере три или еще больше эффективных уровней. Мы продемонстрируем метод на примере показанной Yia vi . Х. трехуровневой системы, взаимодействующей с двумя волнами, частота которых нахо- [c.23]

Мазеры и лазеры непрерывного действия основаны на трехуровневых системах (рис. 24,2, б, г). После накачки квантами с энергией АЦ7 уравнивают заселенность уровней 1 п 3. При этом заселенность уровня 3 оказывается выше, че.м уровня 2. Если проходит фотон с энергией lif, равной разнице энергий уровней 3 и 2, то более вероятно индуцирование перехода 3 2 с излучением, чем поглощение фотона. Далее система спонтанно переходит с уровня 2 на 1 — это так называемый холостой переход. Время релаксации холостого перехода должно быть малым, чтобы уровень 2 был постоянно свободен. Такую картину энергетических состояний получают путем выбора соответствующего материала. [c.248]

Уравнение показывает, что изменение числа фотонов в 5-й моде обусловлено разностью между индуцированным излучением фотонов и их поглощением и рассеянием. В первом члене правой части уравнения (7.1) фигурирует единица, которая учитывает спонтанно испущенные затравочные фотоны. [c.51]

Первое условие удовлетворяется, когда плотность интенсивности поглощения (см с ) уравновешена плотностью интенсивности индуцированного и спонтанного излучения [c.147]

Рассмотрим теперь, каким образом войдет в запись (1.165) функция распределения. Подстановка функции распределения в первый член, т. е. член поглощения, не вызывает вопросов, второй же член, т. е. член излучения, сконструирован состоящим из двух частей одна из них, пропорциональная /(8), связана с процессом индуцированного излучения, вторая (без функции распределения) отражает процесс спонтанного излучения, естественно не зависящий от функции распределения падающих фотонов, но описываемый в тех же терминах сечений и числах, участвующих в процессе систем. [c.64]

В последнем выражении члены поглощения и индуцированного излучения объединены в одном члене, пропорциональном /(со)(8). Другое слагаемое в правой части равно изменению /и (8) за единицу времени за счет спонтанного излучения. [c.65]

Уравнение (1.203) можно отождествить с уравнением сохранения энергии (1.13), сформулированном в предыдущем параграфе при изложении основ феноменологического метода. При этом наглядно раскрывается физический смысл его правой части. Член, пропорциональный /и(5), — это количество энергии излучения, спонтанно излучаемой единицей объема вещества за единицу времени. Член, пропорциональный Ва,(Г) —равен количеству поглощенной радиационной энергии минус энергия индуцированного излучения в единице объема за единицу времени. [c.72]

Пусть 1, 2. 3. — значения энергии, которые может принимать атом или вообще любая атомная система. Атом может самопроизвольно перейти из высшего энергетического состояния Шп в низшее Шт с испусканием света. Такое излучение называется спонтанным. Если атом находится в световом поле, то последнее может вызывать переходы как с высшего уровня Шп на низший Ш г, так и обратно с низшего Ш на высший -Первые переходы сопровождаются излучением света. Оно и называется индуцированным (вынужденным) излучением. Обратные переходы сопровождаются поглощением света атомом. [c.704]

Принцип работы усилителя электромагнитного излучения (лазера или мазера) можно уяснить на примере рассмотрения взаимодействия произвольной системы, состоящей, например, из совокупности атомов или молекул, которые могут находиться только в двух энергетических состояниях Ех и Е , с внешним электромагнитным излучением. Если полное число атомов равно М, а числа атомов в состояниях с энергиями Ех и Ец равны соответственно и N0 М—К - -Мо), то при воздействии на данную систему электромагнитного излучения частоты 10 = в ней будут происходить спонтанные и индуцированные переходы атомов между этими состояниями с испусканием и поглощением фотонов, причем атомы, находившиеся в верхнем энергетическом состоянии, будут переходить в нижнее состояние с вероятностью, равной [c.160]

Инжекционная люминесценция, обусловленная излучательной рекомбинацией, есть результат спонтанных зона-зонных электронных переходов. В присутствии электромагнитного излучения с подходящей длиной волны могут также наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями. При переходе между состояниями с энергией 61 и ег >63) излучение имеет частоту /2, = — г )/к, т. е. в свободном пространстве > 21 — — 61), где/1 — постоянная Планка. При взаимодействии излучения с атомом, находящимся в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение кванта излучения п атом перейдет на верхний уровень. Когда во взаимодействии участвует атом, находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти излучение индуцированного кванта. Вследствие этого при наличии излучения уменьшается среднее время жизни возбужденного состояния. Любой квант индуцированного излучения имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим. Они когерентны. [c.265]

М. п. составляют физ. основу широкого круга разнообразных эффектов, проявляющихся в изменении характеристик эл.-магн. излучения, а также свойств и состояния вещества. К ним относятся многофотонное поглощение и испускание, многофотонная ионизация атомов и молекул, многофотонный фотоэффект, широкий класс процессов рассеяния света и т. п. Каждый фотон, возникающий при М. п., может испускаться либо спонтанно, либо под действием внеш. излучения. В соответствии с этим М. п. делятся на спонтанные и вынужденные (индуцированные), такие, как спонтанное и вынужденное рассеяние света, спонтанное и вынужденное многофотонное излучение (см. также Комбинационное рассеяние света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяние). [c.167]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное (наведенное — направленное) излучение. Принцип действия квантовых генераторов и усилителей (лазеров) основан на свойстве атомов и атомных систем поглощать и излучать порции (кванты) электромагнитной энергии. Квант световой (электромагнитной) энергии, который называют фотоном, будучи поглощен атомом, приводит этот атом в возбужденное состояние. Однако это состояние является неустойчивым, так как в любой момент после поглощения фотона атом может спонтанно (самопроизвольно) выйти из этого состояния и вернуться в исходное. Переход атома в исходное состояние сопровождается излучением поглощенной порции электромагнитной энергии в виде фотона. [c.228]

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное (наведенное — направленное) излучение. Принцип действия квантовых генераторов и усилителей (лазеров) основан на свойстве атомов и атомных систем поглощать и излучать порции (кванты) электромагнитной энергии. Квант световой (электромагнитной) энерпш, который называют фотоном, будучи поглощен атомом, приводит этот атом в возбужденное состояние. Однако такое состояние неустойчиво, так как в любой момент после поглощения фотона атом мол ет спонтанно (самопроизвольно) выйти из этого со- [c.282]

Несмотря на большой диапазон применяемых частот и разнообразие изучаемых явлений, некоторые характерные особенности радиоспектроскопии, имеющие важные следствия для теории, выделяют ее как единое целое. Необходимое электромагнитное излучение может создаваться с помощью электронных генераторов, работающих на определенных частотах, которые могут быть измерены с высокой точностью. В противо-подожность инфракрасной, оптической и 7"Спектроскопии, неточность Аг частоты излучения будет, как правило, меньше ширины уровней АЕ 1к (в единицах частоты), между которыми индуцируется переход. Вследствие малости энергии ку каждого фотона и узости частотного интервала Дг, в котором они излучаются, для создания астрономически большого числа фотонов (скажем, 10 ) на единицу частотного интервала достаточны очень малые мощности. Из квантовой теории излучения хорошо известно, что в присутствии такого большого числа фотонов индуцированные излучение и поглощение значительно преобладают над спонтанным излучением, которое в радиоспектроскопии оказывается пренебрежимо малым. Индуцированное излучение или поглощение (в противоположность спонтанному излучению) не требует квантовомеха-нического описания, что значительно упрощает рассмотрение. [c.13]

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]

Кроме спонтанного испускания и поглощения Эйнштейн ввел представление о вынужденном (индуцированном или стимулированном) испускании. Под действием внешнего электромагнитного поля атомы, находящиеся в возбужденном состоянии (например, на уровне 2), могут согласно Эйнштейну либо поглощать энергию, переходя на более высокий уровень, либо, наоборот, отдавать энергию к = Ё2— ь возвращаясь на более низкий уровень энергии. Такие переходы являются вынужденными и обусловливают вынужденное испускание. Вероятность этих переходов в единицу времени есть 2lWv Величина Б21 называется коэффициентом Эйнштейна для вынужденного испускания. Если внешнее поле отсутствует (и = 0), то вынужденные переходы не происходят. Таким образом, внешнее электромагнитное поле вызывает переходы, сопровождающиеся как поглощением, так и испусканием энергии. Следует отметить, что существование вынужденного испускания не противоречит и классической теории. Согласно законам электродинамики электромагнитная волна, падающая на колеблющийся диполь, в зависимости от соотношения фаз их колебаний может усиливать или тормозить колебания диполя. Иными словами, излучение, падающее на атом, может заставлять последний не только поглощать, но и испускать соответствующие кванты энергии. [c.143]

К представлениям о световых квантах привели два направления исследований. Первое связано с проблемой теплового излучения, второе — с атомными спектрами. Первоначально эти направления развивались независимо друг от друга. Так было до 1916 г., когда появились фундаментальные работы Эйнштейна Испускание и поглощение излучения по квантовой теории и К квантовой теории излучения . В первой работе, опираясь на теорию Бора, Эйнштейн рассмотрел задачу о взаимодействии равновесного излучения с равновесной системой испускаюш,их и поглош,ающих атомов. Он показал, что для получения формулы Планка надо наряду с поглош,ением и спонтанным испусканием рассмотреть дополнительный процесс испускания, который может быть назван индуцированным (вынужденным). Во второй работе обоснована необходимость учитывать изменение импульса атома при испускании или иоглощении им светового кванта здесь же сделан вывод, что импульс светового кванта равен /ioj/с. [c.68]

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]

При взаимодействии частицы с полем резонатора возможено индуцированное поглощение или излучение, которое принципиально отличается от спонтанного излучения — направление распространения, поляризация, частота и фаза излучаемой волны полностью тождественны характеристикам волны резонатора. [c.411]

Качественно эффект самоохлаждения можно понять следующим образом. При непрерывной накачке из состояния g в полосу поглощения (состояние 3) со скоростью П, мощность которой выше пороговой, в резонаторе лазера накапливается когерентное электрическое поле большой амплитуды. Оно вызывает быстрые индуцированные переходы между состояниями 1 и 2 со скоростью В. Инверсия населённостей этих состояний принимает такое значение, чтобы скомпенсировать все потери, которые связаны как с выходом излучения из резонатора, так и с оттоком части энергии поля на примесь иттербия. Поскольку длина волны генерации попадает в длинноволновое крыло линии поглощения иттербия, то величина Ь составляет небольшую долю от скорости В и потери на иттербии обусловлены главным образом скоростями спонтанной люминесценции иттербия а и а. Пусть О нагрев лазера преимущественно обусловлен безызлучательными переходами лазерных ионов из состояния 3 в состояние 2, сопровождающимися рождением фонона с энергией Ш32, и скоростью накачки П. Величина расщепления Ш32 в два-три раза меньше, чем величина расщепления основного состояния ионов иттербия 1г0.2 , на нижний подуровень которого происходит спонтанное излучение в анистоксовой области, приводящее к охлаждению. Понятно, что существует некое соотношение между значениями скоростей П,А,В и Ь,а,а, при котором процесс охлаждения будет компенсировать или даже превосходить процесс нагрева. [c.156]

ПО сравнению с интенсивностью спонтанного излучения. Чтобы число актов индуцированного излучения превышало число актов поглощения, необходим значительный избыток возбужденных атомов. Такое состояние системы, когда число атомов иа верхнем уровне превышает их число на иижием уровне, называется инверсным. [c.432]

Слагаемое Стп в первом уравнении (3.2.53) учитывает вклад вынужденных процессов (индуцированного испускания и резонансного поглощения). Переходя к спонтанному излучению, надо, во-первых, исключить полевой множитель т, во-вторых, вместо безразмерной разности заселенностей рабочих уровней п использовать безразмерную заселенность верхнего рабочего уровня (обозначим ее как пв) и, в-третьих, учитывая изменение коэффициентов Эйнштейна при переходе от вынужденного испускания к спонтанному, ввести поправочный множитель е. Таким образом, искомый вклад со стороны спонтанного излучения может быть представлен в первом уравнении (3.2.53) дополнительным слагаемым вида Оепв- Поскольку [c.300]

Кинетические уравнения, определяющие изменения населенностей уровней энергии системы и изменение числа фотояов п за счет спонтанного и индуцированного излучения (поглощения), имеют вид (см., например, [10]) [c.194]

Предположим теперь, что с такой системой взаимодействует излучение частоты равной частоте перехода Е- Е - Это излучение будет стимулировать два встречных процесса поглощение, приводящее к переходу атомов с нижнего уровня на верхний, и испускание излучения, сопровождающееся переходом частиц с верхнего-уровня на нижний. Важной особенностью подобных процессов является то, что они управляются полем излучения их вероятность, тем больше, чем больше плотность энерпш поля излучения на частоте перехода 0i2- Испускаемое при этом излучение называют стимулированным, индуцированным или вынуоюденным. В отличие от него испускание, происходящее самопроизвольно, независимо or поля, называют спонтанным. [c.334]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...