Стимулисана емисија

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Стимулисана емисија ( Ласер )

Стимулисано зрачење , индуковано зрачење - генерисање новог фотона током транзиције квантног система ( атома , молекула , језгра , итд.) између два стања (из вишег на нижи енергетски ниво ) под утицајем индукционог фотона, чија је енергија једнака разлици енергије ових стања ... Створени фотон има исту енергију, импулс, фазу, поларизацију и правац ширења као индукујући фотон (који се не апсорбује). Оба фотона су кохерентна .

Увод. Ајнштајнова теорија

Пиринач. 1а. Апсорпција фотона
Пиринач. 1б. Стимулисана емисија фотона
Пиринач. 1ц. Спонтана емисија фотона

Велики допринос развоју проблема стимулисане емисије (емисије) дао је А. Ајнштајн, који је 1916. и 1917. објавио одговарајуће научне чланке. Ајнштајнова хипотеза је да под дејством електромагнетног поља фреквенције ω, молекул (атом) може:

  • пређите са нижег енергетског нивоа до вишег са апсорпцијом фотона енергијом (види сл. 1а);
  • пређите са вишег енергетског нивоа до нижег са емисијом енергије фотона (види слику 1б);
  • поред тога, као у одсуству узбудљивог поља, спонтани прелаз молекула (атома) са горњег на доњи ниво уз емисију фотона са енергијом (види слику 1ц).

Први процес се обично назива апсорпцијом, други је принудна (индукована) емисија, а трећи је спонтана емисија. Брзина апсорпције и стимулисане емисије фотона је пропорционална вероватноћи одговарајуће транзиције: и где - Ајнштајнови коефицијенти за апсорпцију и емисију, - спектрална густина зрачења .

Број прелаза са апсорпцијом светлости изражава се као

са емисијом светлости дат је изразом:

где Да ли је Ајнштајнов коефицијент који карактерише вероватноћу спонтане емисије, и - број честица у првом или другом стању, респективно. Према принципу детаљне равнотеже , у термодинамичкој равнотежи, број светлосних кванта на прелазима 1 → 2 треба да буде једнак броју кванта емитује у обрнутим прелазима 2 → 1 .

Однос између квота

Замислите затворену шупљину, чији зидови емитују и апсорбују електромагнетно зрачење . Такво зрачење карактерише спектрална густина добијено из Планкове формуле :

Пошто разматрамо термодинамичку равнотежу, онда Користећи једначине (1) и (2), налазимо за стање равнотеже:

где:

У термодинамичкој равнотежи, расподела честица по енергетским нивоима је у складу са Болцмановим законом :

где и - статистичке тежине нивоа, које показују број независних стања квантног система која имају исту енергију (дегенерисана). Ради једноставности, претпоставићемо да су стат-тежине нивоа једнаке један.

Дакле, упоређујући (4) и (5) и узимајући у обзир то добијамо:

Пошто у спектрална густина зрачења треба да се повећава неограничено, тада треба да поставимо именилац једнак нули, одакле имамо:

Даље, упоређујући (3) и (6), лако је добити:

Последње две релације важе за било коју комбинацију нивоа енергије. Њихова валидност траје чак иу одсуству равнотеже, пошто су одређене само карактеристикама система и не зависе од температуре.

Својства принудне емисије

По својствима, стимулисана емисија се значајно разликује од спонтане емисије.

  • Најкарактеристичнија карактеристика стимулисане емисије је да се генерисани електромагнетни талас шири у истом смеру као и почетни индукујући талас.
  • Фреквенције и поларизације стимулисаног и почетног зрачења су такође једнаке.
  • Присилни ток је кохерентан са узбудљивим.

Апликација

Принцип рада квантних појачавача , ласера и масера заснива се на стимулисаној емисији. Пумпањем се ствара вишак (у поређењу са термодинамичким очекивањем) броја атома у горњем енергетском стању у радном медијуму ласера. Радно тело гасног ласера ​​налази се у шупљини (у најједноставнијем случају пар огледала), што ствара услове за акумулацију фотона са одређеним смером импулса. Почетни фотони настају услед спонтане емисије. Тада се, због присуства позитивне повратне спреге, стимулисана емисија повећава као лавина. Ласери се обично користе за генерисање зрачења, док се РФ масери такође користе за појачање.

такође видети

Књижевност