Вимушене випромінювання — випромінювання фотона збудженою квантовомеханічною системою під впливом резонансної електромагнітної хвилі.
Термін використовується на противагу спонтанному випромінюванню.
При вимушеному випромінюванні фотон не тільки не поглинається збудженою квантовомеханічною системою, наприклад, молекулою, а викликає перехід цієї системи до стану з меншою енергією, що супроводжується появою ще одного фотона, когерентного із першим.
Вимушене випромінювання — лежить в основі роботи лазера.
Вступ. Теорія Ейнштейна
Значний внесок у розробку питання про вимушене випромінювання (випускання) вніс А. Ейнштейн, опублікувавши в 1916 і 1917 роках відповідні наукові статті. Гіпотеза Ейнштейна полягає в тому, що під дією електромагнітного поля частоти ω молекула (атом) може:
- перейти з нижчого енергетичного рівня на вищий з поглинанням фотона з енергією (див. рис. 1a);
- перейти з вищого енергетичного рівня на нижчий з випусканням фотона з енергією (див. рис. 1б);
- крім того, як і за відсутності збуджувального поля, залишається можливим мимовільний перехід молекули (атома) з верхнього на нижній рівень з випусканням фотона енергією (див. рис. 1в).
Перший процес називають поглинанням, другий — вимушеним (індукованим) випромінюванням, третій — спонтанним випромінюванням. Швидкість поглинання і вимушеного випускання фотона пропорційна ймовірності відповідного переходу: і де — коефіцієнти Ейнштейна для поглинання і випускання, — .
Число переходів з поглинанням світла виражається як
з випромінюванням світла задається виразом:
де — коефіцієнт Ейнштейна, що характеризує ймовірність спонтанного випромінювання, а — число частинок у першому або другому стані відповідно. Згідно з принципом детальної рівноваги, за термодинамічної рівноваги число квантів світла , поглинутих під час переходів 1 → 2, має дорівнювати числу квантів випущених у зворотних переходах 2 → 1.
Зв'язок між коефіцієнтами
Розглянемо замкнуту порожнину, стінки якої випускають і поглинають електромагнітне випромінювання. Таке випромінювання характеризується спектральною густиною одержуваною з формули Планка:
Оскільки ми розглядаємо термодинамічну рівновагу, то Використовуючи рівняння (1) і (2), знаходимо для стану рівноваги:
звідки:
За термодинамічної рівноваги розподіл частинок за рівнями енергії підпорядковується закону Больцмана:
де і — статистичні ваги рівнів, що показують кількість незалежних станів квантової системи, що мають однакову енергію (вироджених). Будемо вважати для спрощення, що статистичні ваги рівнів дорівнюють одиниці.
Отже, порівнюючи (4) і (5) і беручи до уваги, що одержимо:
Оскільки при спектральна густина випромінювання має необмежено зростати, то слід вважати знаменник рівним нулю, звідки маємо:
Далі, зіставивши (3) і (6), легко отримати:
Останні два співвідношення справедливі для будь-яких комбінацій рівнів енергії. Їх справедливість зберігається і за відсутності рівноваги, оскільки вони визначаються тільки характеристикою систем і не залежать від температури.
Властивості вимушеного випускання
За властивостями вимушене випускання істотно відрізняється від спонтанного.
- Найхарактерніша риса вимушеного випромінювання полягає в тому, що електромагнітна хвиля, яка виникла, поширюється в тому ж напрямку, що й первісна індукувальна хвиля.
- Частоти й поляризація вимушеного і початкового випромінювань також рівні.
- Вимушений потік когерентний збуджувальному.
Застосування
На вимушеному випромінюванні ґрунтується робота квантових підсилювачів, лазерів і мазерів. У робочому тілі лазера під час нагніту створюється надмірна (порівняно з термодинамічним очікуванням) кількість атомів у верхньому енергетичному стані. Робоче тіло газового лазера міститься в резонаторі (в найпростішому випадку — пара дзеркал), що створює умови для накопичення фотонів з певним напрямком імпульсу. Початкові фотони виникають завдяки спонтанному випромінюванню. Потім, завдяки наявності позитивного зворотного зв'язку, вимушене випромінювання лавиноподібно наростає. Лазери зазвичай використовують для генерування випромінення, тоді як мазери, що працюють в ділянці радіочастот, застосовуються також і для підсилення.
Див. також
Джерела
- Український Радянський Енциклопедичний Словник: В 3-х т. / Редкол.: … А. В. Кудрицький (відп. ред.) та ін.— 2-ге вид. — К.: Голов. ред. УРЕ, 1986 — Т. 1. А — Калібр. 752 с. — С. 286.
- Большая Советская Энциклопедия. 3-е изд. Т. 5: Вешин-Газли. — М.: Советская Энциклопедия, 1971. — 641 с. — С. 528. (рос.)
- , , Турков Ю. Г. Оптические генераторы на твёрдом теле. — М. : Советское радио, 1967.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Vimushene viprominyuvannya viprominyuvannya fotona zbudzhenoyu kvantovomehanichnoyu sistemoyu pid vplivom rezonansnoyi elektromagnitnoyi hvili Shematichne zobrazhennya procesu vimushenogo viprominyuvannya Termin vikoristovuyetsya na protivagu spontannomu viprominyuvannyu Pri vimushenomu viprominyuvanni foton ne tilki ne poglinayetsya zbudzhenoyu kvantovomehanichnoyu sistemoyu napriklad molekuloyu a viklikaye perehid ciyeyi sistemi do stanu z menshoyu energiyeyu sho suprovodzhuyetsya poyavoyu she odnogo fotona kogerentnogo iz pershim Vimushene viprominyuvannya lezhit v osnovi roboti lazera Vstup Teoriya EjnshtejnaRis 1a Poglinannya fotona Ris 1b Vimushene vipuskannya fotona Ris 1v Spontanne viprominyuvannya fotona Znachnij vnesok u rozrobku pitannya pro vimushene viprominyuvannya vipuskannya vnis A Ejnshtejn opublikuvavshi v 1916 i 1917 rokah vidpovidni naukovi statti Gipoteza Ejnshtejna polyagaye v tomu sho pid diyeyu elektromagnitnogo polya chastoti w molekula atom mozhe perejti z nizhchogo energetichnogo rivnya E 1 displaystyle E 1 na vishij E 2 displaystyle E 2 z poglinannyam fotona z energiyeyu ℏ w E 2 E 1 displaystyle hbar omega E 2 E 1 div ris 1a perejti z vishogo energetichnogo rivnya E 2 displaystyle E 2 na nizhchij E 1 displaystyle E 1 z vipuskannyam fotona z energiyeyu ℏ w E 2 E 1 displaystyle hbar omega E 2 E 1 div ris 1b krim togo yak i za vidsutnosti zbudzhuvalnogo polya zalishayetsya mozhlivim mimovilnij perehid molekuli atoma z verhnogo na nizhnij riven z vipuskannyam fotona energiyeyu ℏ w E 2 E 1 displaystyle hbar omega E 2 E 1 div ris 1v Pershij proces nazivayut poglinannyam drugij vimushenim indukovanim viprominyuvannyam tretij spontannim viprominyuvannyam Shvidkist poglinannya i vimushenogo vipuskannya fotona proporcijna jmovirnosti vidpovidnogo perehodu B 12 u displaystyle B 12 cdot u i B 21 u displaystyle B 21 cdot u de B 12 displaystyle B 12 B 21 displaystyle B 21 koeficiyenti Ejnshtejna dlya poglinannya i vipuskannya u displaystyle u Chislo perehodiv d n 1 displaystyle mathrm d n 1 z poglinannyam svitla virazhayetsya yak d n 1 B 12 u n 1 d t 1 displaystyle mathrm d n 1 B 12 u cdot n 1 mathrm d t qquad qquad 1 z viprominyuvannyam svitla zadayetsya virazom d n 2 A 21 B 21 u n 2 d t 2 displaystyle mathrm d n 2 A 21 B 21 u cdot n 2 mathrm d t qquad 2 de A 21 displaystyle A 21 koeficiyent Ejnshtejna sho harakterizuye jmovirnist spontannogo viprominyuvannya a n 1 n 2 displaystyle n 1 n 2 chislo chastinok u pershomu abo drugomu stani vidpovidno Zgidno z principom detalnoyi rivnovagi za termodinamichnoyi rivnovagi chislo kvantiv svitla d n 1 displaystyle mathrm d n 1 poglinutih pid chas perehodiv 1 2 maye dorivnyuvati chislu kvantiv d n 2 displaystyle mathrm d n 2 vipushenih u zvorotnih perehodah 2 1 Zv yazok mizh koeficiyentamiRozglyanemo zamknutu porozhninu stinki yakoyi vipuskayut i poglinayut elektromagnitne viprominyuvannya Take viprominyuvannya harakterizuyetsya spektralnoyu gustinoyu u w T displaystyle u omega T oderzhuvanoyu z formuli Planka u w T ℏ w 3 p 2 c 3 1 e x p ℏ w k T 1 3 displaystyle u omega T frac hbar omega 3 pi 2 c 3 cdot frac 1 mathrm exp hbar omega kT 1 qquad qquad 3 Oskilki mi rozglyadayemo termodinamichnu rivnovagu to d n 1 d n 2 displaystyle mathrm d n 1 mathrm d n 2 Vikoristovuyuchi rivnyannya 1 i 2 znahodimo dlya stanu rivnovagi B 12 u w T n 1 A 21 B 21 u w T n 2 displaystyle B 12 u omega T n 1 A 21 B 21 u omega T n 2 zvidki n 2 n 1 B 12 u w T A 21 B 21 u w T 4 displaystyle frac n 2 n 1 frac B 12 u omega T A 21 B 21 u omega T qquad qquad 4 Za termodinamichnoyi rivnovagi rozpodil chastinok za rivnyami energiyi pidporyadkovuyetsya zakonu Bolcmana n 2 n 1 g 2 g 1 e x p E 2 E 1 k T 5 displaystyle frac n 2 n 1 frac g 2 g 1 cdot mathrm exp left frac E 2 E 1 kT right qquad qquad 5 de g 1 displaystyle g 1 i g 2 displaystyle g 2 statistichni vagi rivniv sho pokazuyut kilkist nezalezhnih staniv kvantovoyi sistemi sho mayut odnakovu energiyu virodzhenih Budemo vvazhati dlya sproshennya sho statistichni vagi rivniv dorivnyuyut odinici Otzhe porivnyuyuchi 4 i 5 i beruchi do uvagi sho ℏ w E 2 E 1 displaystyle hbar omega E 2 E 1 oderzhimo u w T A 21 B 12 e x p ℏ w k T B 21 6 displaystyle u omega T frac A 21 B 12 mathrm exp hbar omega kT B 21 qquad qquad 6 Oskilki pri T displaystyle T to infty spektralna gustina viprominyuvannya maye neobmezheno zrostati to slid vvazhati znamennik rivnim nulyu zvidki mayemo B 12 B 21 displaystyle B 12 B 21 Dali zistavivshi 3 i 6 legko otrimati B 21 p 2 c 3 ℏ w 3 A 21 displaystyle B 21 frac pi 2 c 3 hbar omega 3 cdot A 21 Ostanni dva spivvidnoshennya spravedlivi dlya bud yakih kombinacij rivniv energiyi Yih spravedlivist zberigayetsya i za vidsutnosti rivnovagi oskilki voni viznachayutsya tilki harakteristikoyu sistem i ne zalezhat vid temperaturi Vlastivosti vimushenogo vipuskannyaZa vlastivostyami vimushene vipuskannya istotno vidriznyayetsya vid spontannogo Najharakternisha risa vimushenogo viprominyuvannya polyagaye v tomu sho elektromagnitna hvilya yaka vinikla poshiryuyetsya v tomu zh napryamku sho j pervisna indukuvalna hvilya Chastoti j polyarizaciya vimushenogo i pochatkovogo viprominyuvan takozh rivni Vimushenij potik kogerentnij zbudzhuvalnomu ZastosuvannyaNa vimushenomu viprominyuvanni gruntuyetsya robota kvantovih pidsilyuvachiv lazeriv i mazeriv U robochomu tili lazera pid chas nagnitu stvoryuyetsya nadmirna porivnyano z termodinamichnim ochikuvannyam kilkist atomiv u verhnomu energetichnomu stani Roboche tilo gazovogo lazera mistitsya v rezonatori v najprostishomu vipadku para dzerkal sho stvoryuye umovi dlya nakopichennya fotoniv z pevnim napryamkom impulsu Pochatkovi fotoni vinikayut zavdyaki spontannomu viprominyuvannyu Potim zavdyaki nayavnosti pozitivnogo zvorotnogo zv yazku vimushene viprominyuvannya lavinopodibno narostaye Lazeri zazvichaj vikoristovuyut dlya generuvannya viprominennya todi yak mazeri sho pracyuyut v dilyanci radiochastot zastosovuyutsya takozh i dlya pidsilennya Div takozhLazernij promin Kvantovij generator Lazer MazerDzherelaUkrayinskij Radyanskij Enciklopedichnij Slovnik V 3 h t Redkol A V Kudrickij vidp red ta in 2 ge vid K Golov red URE 1986 T 1 A Kalibr 752 s S 286 Bolshaya Sovetskaya Enciklopediya 3 e izd T 5 Veshin Gazli M Sovetskaya Enciklopediya 1971 641 s S 528 ros Turkov Yu G Opticheskie generatory na tvyordom tele M Sovetskoe radio 1967