December 03 2016 15:37:50
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
отсутствие внешнего электромагнитного поля
Физические основы информации

Выше были рассмотрены резонансное и нерезонансное взаимодействия атома с заданным монохроматическим электромагнитным полем, а также случай самосогласованного изменения огибающей электрического поля светового импульса и разности населенностей уровней атома, резонансных по частоте этому полю, приводящего к эффекту самоиндуцированной прозрачности. Во всех этих случаях до взаимодействия с электромагнитным полем атомы среды считались находящимися в основном состоянии. Теперь мы рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с атомами среды, которые могут возбуждаться за счет передачи им энергии от внешнего источника. Это взаимодействие лежит в основе работы лазеров.

Допустим, что атом находится в некотором возбужденном состоянии с энергией
E2 > E1, где Е1 – энергия основного состояния. В отсутствие внешнего электромагнитного  поля атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти в свое основное состояние, испустив фотон с энергией

img284.                                                                                              (II.5.32)

Вероятность спонтанного излучения фотона за время Δt

img285,                                                                                                                           (II.5.33)

где А21 – коэффициент Эйнштейна для спонтанного перехода атома с уровня 2 на уровень 1, зависящий от характеристик атома.

Благодаря спонтанному излучению возбужденные состояния атома являются неустойчивыми и имеют конечное время жизни, поэтому волновая функция возбужденного состояния с учетом этого конечного времени жизни записывается в виде

img286,                                                                                  (II.5.34)

где img287– время жизни возбужденного состояния n. Для уровня 2 в двухуровневой модели img288.

Фотоны спонтанного излучения имеют произвольные направления распространения, т.е. направления волнового вектора img289, и поляризацию. Частота спонтанного фотона лежит в пределах естественной ширины линии

img290.                                                                                      (II.5.35)

Спонтанное излучение отдельных атомов происходит независимо, поэтому спонтанно испущенный свет является некогерентным. Такой свет дают лампы накаливания, газоразрядные лампы и нагретые тела.

Если на атом действует электромагнитное поле, частота которого совпадает с частотой перехода img291, то возникают вынужденные переходы атома из возбужденного состояния в основное состояние. Вероятность вынужденного излучения фотона

img292,                                                                                              (II.5.36)

где В21 – коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода атома с уровня 2 на уровень 1, u(ω21) – спектральная плотность энергии электромагнитного поля на частоте перехода ω21.

Фотоны вынужденного излучения имеют точно такие же характеристики, что и фотоны внешнего электромагнитного поля, т.е. такие же частоту ω21, волновой вектор img293 и поляризацию img294 единичный вектор поляризации, img295. Таким образом, внешнее электромагнитное синхронизует излучение всего ансамбля возбужденных атомов, поэтому вынужденное излучение в отличие от спонтанного является когерентным.

При нахождении атома в основном состоянии 1 внешнее резонансное электромагнитное поле может с вероятностью

img296                                                                                               (II.5.37)

вызвать вынужденный переход в возбужденное состояние 2. Здесь В12 – коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода с уровня 1 на уровень 2.

Квантовомеханические выражения для коэффициентов Эйнштейна А21, В12 и В21 имеют вид

img297,                                                                                                                           (II.5.38)

img298,                                                                                      (II.5.39)

где

img299,

img300 единичный вектор поляризации электромагнитного излучения, угловые скобки обозначают усреднение по всем возможным ориентациям атома. При получении приведенных выше формул для коэффициентов Эйнштейна предполагается, что атом находится в вакууме, а степень вырождения уровней 1 и 2 одинаковая.

Для получения лазерной генерации необходимо перевести систему атомов в неравновесное состояние, где населенность возбужденного уровня 2 превышает населенность основного уровня 1. Это обеспечивает превалирование вынужденного излучения над процессами поглощения атомов, находящихся в основном состоянии 1, и спонтанного излучения атомов, находящихся в возбужденном состоянии 2:

img301.                                                          (II.5.40)

В качестве внешних источников энергии могут использоваться электромагнитное излучение, электрический ток, поток частиц и т.д.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.05 секунд 4,191,129 уникальных посетителей