ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВЫНУЖДЕННОЕ излучение (индуцированное излучение), испускание электромагнитных волн определенной частоты возбужденными атомами и молекулами под действием внешнего (вынуждающего) излучения такой же частоты. Вынужденным излучением является, например, излучение лазера.
Современная энциклопедия . 2000 .
ВЫМОРОЧНОЕ ИМУЩЕСТВО
ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Смотреть что такое «ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ» в других словарях:
вынужденное излучение — Когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах, совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением. [ГОСТ 15093 90] вынужденное излучение Когерентное электромагнитное излучение,… … Справочник технического переводчика
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — (вынужденное испускание, индуцированное излучение), испускание эл. магн. излучения квант. системами под действием внешнего (вынуждающего) излучения; при В. и. частота, фаза, поляризация и направление распространения испущенной эл. магн. волны… … Физическая энциклопедия
Вынужденное излучение — (индуцированное излучение), испускание электромагнитных волн определенной частоты возбужденными атомами и молекулами под действием внешнего (вынуждающего) излучения такой же частоты. Вынужденным излучением является, например, излучение лазера. … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — (индуцированное излучение) процесс испускания электромагнитных волн возбужденными атомами и другими квантовыми системами под действием внешнего (вынуждающего) излучения. Частота, фаза, поляризация и направление испускаемого и вынуждающего… … Большой Энциклопедический словарь
вынужденное излучение — (индуцированное излучение), процесс испускания электромагнитных волн возбуждёнными атомами и другими квантовыми системами под действием внешнего (вынуждающего) излучения. Частота, фаза, поляризация и направление испускаемого и вынуждающего… … Энциклопедический словарь
вынужденное излучение — priverstinis spinduliavimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. induced radiation; stimulated radiation vok. erzwungene Emission, f; erzwungene Strahlung, f; stimulierte Strahlung, f rus. вынужденное излучение, n;… … Radioelektronikos terminų žodynas
вынужденное излучение — priverstinis spinduliavimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. forced radiation; induced radiation; stimulated radiation vok. erzwungene Strahlung, f; induzierte Strahlung, f; stimulierte Strahlung, f rus. вынужденное излучение, n;… … Fizikos terminų žodynas
Вынужденное излучение — индуцированное излучение, испускание электромагнитного излучения квантовыми системами под действием падающего на них излучения. Фотоны, испускаемые при В. и., совпадают по частоте, направлению распространения и поляризации с фотонами,… … Большая советская энциклопедия
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — см. Индуцированное излучение … Большой энциклопедический политехнический словарь
Вынужденное излучение
Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.
Введение. Теория Эйнштейна
Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:
перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий с поглощением фотона энергией (см. рис. 1a);
перейти с более высокого энергетического уровня на более низкий с испусканием фотона энергией (см. рис. 1б);
кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на нижний уровень с испусканием фотона энергией (см. рис. 1в).
Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: — спектральная плотность излучения.
Число переходов n_1″ width=»» height=»» /> с поглощением света выражается как
где — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света должно равняться числу квантов
Связь между коэффициентами
Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью получаемой из формулы Планка:
где и — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.
Итак, сравнивая (4) и (5) и принимая во внимание, что получим:
Так как при спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то нам следует положить знаменатель равным нулю, откуда имеем:
Далее, сопоставив (3) и (6), легко получить:
Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток распространяется в том же направлении, что и первоначальный возбуждающий поток.
Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны.
Вынужденный поток когерентен возбуждающему.
Применение
На вынужденном излучении основан принцип работы квантовых усилителей, лазеров и мазеров. В рабочем теле лазера путём накачки создаётся избыточное (по сравнению с термодинамическим ожиданием) количество атомов в верхнем энергетическом состоянии. Рабочее тело газового лазера находится в резонаторе (в простейшем случае — пара зеркал), создающем условия для накапливания фотонов с определённым направлением импульса. Первоначальные фотоны возникают за счёт спонтанного излучения, затем их поток лавинообразно усиливается благодаря вынужденному излучению. Лазеры обычно используются для генерации излучения, тогда как мазеры, работающие в области радиочастот, применяются также и для усиления.
Последние открытия
Британские ученые смогли замедлить испускание фотона при помощи «побочных продуктов», остающихся при изготовлении квантовых точек. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Ее основные положения приведены в пресс-релизе Университета Ворвика, сотрудники которого принимали участие в исследовании.
В своей работе физики «замедляли» свет, продлевая время жизни экситона. Экситон представляет собой квазичастицу, возникающую при выбивании электрона фотоном с его энергетического уровня на более высокий (говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние). Электрон и образовавшаяся на его месте «дырка» оказываются связаны друг с другом посредством зарядовых взаимодействий. Когда электрон возвращается на прежний энергетический уровень, он занимает место «дырки», а выбивший его фотон испускается системой.
Экситоны могут иметь различную природу. В частности, пару электрон-«дырка» может содержать кольцеобразный фрагмент материала, образовавшийся при производстве квантовых точек — изолированных нанообъектов, свойства которых заметно отличаются от свойств более крупных кусков такого же состава.
Авторы работы показали, что воздействие на такой квантовый бублик определенной комбинацией электрических и магнитных полей способно существенно замедлить скорость возвращения электрона на место «дырки» и испускания фотона.
Авторы работы считают, что у разработанной ими технологии большое будущее. Например, задержка испускания света может помочь в создании компьютеров, в которых фотоны используются для передачи информации.
См. также
Литература
А. Л. Микаэлян, М. Л. Тер-Микаелян Ю. Г. Турков. «Оптические генераторы на твёрдом теле». М.: Советское радио, 1967.
Электромагнитное излучение
Лазерная физика
Атомная физика
1.4. Вынужденное излучение. Лазеры
Поглощение и спонтанное излучение света кристаллами мы уже рассмотрел. Остановимся теперь на вынужденном излучении, наличие которого было впервые постулировано А. Эйнштейном в 1905 году для объяснения спектров излучения абсолютно чёрного тела.
Если атом находится в возбужденном состоянии, то существует вероятность вынужденного испускания света под действием поля проходящей электромагнитной волны. С квантовых позиций фотон с энергией hν B 12B = E B 2B — E B 1B стимулирует квантовые переходы в атоме с верхнего уровня E B 2B на нижний E B 1B , в результате возникает еще один фотон с энергией hν. Принципиально важным является то, что вынужденное излучение имеет точно такие же характеристики, что и первичное: ту же частоту, направление распространения и поляризацию. Иными словами, первичный и вторичный фотоны неразличимы (см. п. 1.1 ).
Таким образом, новые фотоны, индуцированные падающим светом, усиливают свет, проходящий через коллектив излучающих атомов (или центров излучения в твердом теле). Препятствуют этому процессу центры, находящиеся в основном состоянии и имеющие определенную вероятность поглощения света. В случае преобладания актов вынужденного излучения среда становится усиливающей (говорят об отрицательном поглощении света), что определяется формулой В.А.Фабриканта (1951 г.):
где a ( n ) — отрицательный показатель поглощения, а сам закон сопоставим с законом Бугера-Ламберта (7.4).
Для усиления излучения необходимо создать неравновесное состояние системы ( N B 2B > B B N B 1B , где N B 1B и N B 2B — число центров, находящихся в данный момент времени в основном и возбужденном состояниях), иначе говоря, — осуществить инверсию населенности ее энергетических уровней (рис. 1.4.1). Перевод среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды (оптическая накачка, с помощью электронного пучка и т.д.). Вследствие спонтанного излучения использование двухуровневой системы для получения инверсии населенности оказывается неэффективным. В этих целях применяют многоуровневые квантовые системы атомов или ионов, накачка которых сначала переводит рабочие центры в возбуждённые состояния с более высокой энергией, чем энергия, соответствующая испусканию квантов индуцированного излучения. Такие системы могут работать по трёх-, четырёх- (или более) уровневым схемам, причём желательно, чтобы нижнее состояние для индуцированного светом перехода было расположено несколько выше по энергии, чем основное состояние квантовой системы, что явно упрощает условия получения инверсной заселённости соответствующих уровней (малая равновесная заселённость конечного состояния этих переходов). Трёхуровневый метод создания сред с отрицательным поглощением, предложенный Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым (195 5 г.) используется и в твердотельных устройствах (например, в рубиновых лазерах – рис. 1.4.1 в).
Упрощённая схема квантового усилителя представлена на рис. 1.4.1,а. Среду, в которой возможно создание инверсии населенностей энергетических уровней, называют активным элементом усилителя.
При наличии накачки активного элемента входной сигнал на частоте ν пройдя через этот элемент, усиливается за счет процессов вынужденного излучения, так что на выходе системы формируется усиленный сигнал Ф B выхB .
Для превращения усилителя в оптический квантовый генератор (лазер) желательно ввести положительную обратную связь, как это обычно делается и в электронных усилителях,. То есть часть усиленной мощности с выхода подать на вход системы, в этих целях в лазерах используют оптический резонатор: активный элемент (кристалл) помещается между двумя строго параллельными зеркалами (модифицированный интерферометр Фабри-Перо) (рис. 1.4.1,б). Любой фотон, возникающий в активном элементе за счет спонтанного излучения атомов среды, является источником начала генерации света. Например, если рожденный фотон движется вдоль оси резонатора (ось, проходящая через активный элемент, перпендикулярна зеркалам), то он образует лавину фотонов, двигающихся в том же направлении. Этот поток фотонов будет поочередно отражаться от зеркал, усиливаясь при каждом последующем прохождении через активный элемент вследствие вынужденного испускания света. Для вывода лазерного излучения одно из зеркал делается частично прозрачным, меняя значение коэффициента отражения этого зеркала, можно изменять величину обратной связи. Иногда отражающие покрытия наносят непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды, в этом случае необходимость в выносных зеркалах отпадает. При изготовлении активных элементов из полупроводниковых материалов с высоким показателем преломления света ( n = 2,5 ¸ 4) коэффициент отражения границы раздела воздух-кристалл может превысить 35%, поэтому естественные грани кристалла образуют неплохой резонатор и отражающие покрытия часто вообще не применяются.
С точки зрения волновой теории процесс усиления света означает увеличение амплитуды световой волны. Для того, чтобы волна, дважды отраженная от зеркал, возвратилась к испустившему ее центру в той же фазе, в которой она была испущена (условие максимума при интерференции первичной и отраженной волн), необходимо выполнение условия резонанса:
где L — расстояние между зеркалами; l — длина волны; m = 1,2.
В качестве примера накачки активного элемента с целью получения лазерного излучения рассмотрим работу лазера на рубине (Т.Мейман, 1960), то есть кристалле Al B 2B O B 3B с примесью хрома, который в виде ионов Cr P 3+ P замещает часть (0,05%) атомов Al . Уровни хрома располагаются в пределах широкой (около 6 эВ) запрещенной зоны Al B 2B O B 3B , и процессы поглощения энергии и излучения могут происходить внутри этих центров свечения (рис. 1.4.1,в). Свет от мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня E B 1B на возбужденные уровни E B 3B и Е B 4B , образующие две широкие полосы. Примерно через 10 P -8 P c электроны безызлучательно опускаются на метастабильные уровни E B 2B , на которых они могут находиться около 10 P -3 P с. На уровнях E B 2B происходит постепенное накопление электронов, создается инверсная заселенность этих уровней по отношению к уровням E B 1B , и свет с частотой n , удовлетворяющей условию h n = E B 2B — B B E B 1B , может вызвать вынужденные переходы электронов с уровней Е B 2B на уровни Е B 1B с излучением на длине волны 0,69 мкм (красный свет).
Рубин лазера представляет собой искусственный монокристалл, как правило, цилиндрической формы (диаметром около 1 см и длиной примерно 10 см) с тщательно отполированными плоскими торцами. На них путем испарения наносят диэлектрические (или металлические) зеркала. Усиление и излучение происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.
Для миниатюрных оптоэлектронных устройств более предпочтительным является лазер на кристаллах иттриево-алюминиевого граната с примесью неодима Y B 3B Al B 5B O B 12B : Nd P 3+ P . Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия, создавая четырехуровневую систему, которая излучает на длине волны 1,06 мкм; в качестве источника накачки используется вольфрамовая или ртутная лампа. Благодаря повышенной концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт), что позволяет снижать размеры устройства. КПД таких лазеров равен примерно 1%, хотя у лазеров на основе редкоземельных скандиевых гранатов он может быть в 4 — 5 раз выше. Лазерную генерацию можно получить и на стеклах с соответствующей примесью (например, неодима). Преимуществом стекол является их изотропность и разнообразие возможных технологических процессов (сверление, вытягивание, плавление и т.д.), недостатком — низкая теплопроводность (не применимы при высокой средней мощности излучения). Кроме того, перспективны лазеры и усилители света на световодах с примесью ионов редкоземельных элементов.
Специально изготовленные светодиоды (с сильным заполнением электронами возбужденных уровней) используются для создания полупроводниковых инжекционных лазеров, которые более эффективны (КПД достигает 50%) и миниатюрны, чем рассмотренные ранее лазерные системы, хотя и уступают по расходимости потока излучения твердотельным лазерам с редкоземельными ионами.
Контрольные вопросы
1. Опишите основные свойства вынужденного излучения.
2. Что означает инверсия населённости энергетических уровней?
3. Рассмотрите общую схему квантового усилителя.
4. Опишите принцип работ лазера.
5. Рассмотрите работу лазера на рубине.
Что представляет собой вынужденное излучение
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Наша галактика и другие галактики
Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
«Красное смещение» в спектрах галактик
Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
на более высокий 
с поглощением фотона энергией 
(см. рис. 1a);
— спектральная плотность излучения.
— число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света 
и 
— статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.
