Квантовая химия. Введение - Фларри Р.
Скачать (прямая ссылка):
187
(т. е. когда плотность энергии оказывается равной нулю). Присутствие поля излучения уменьшает скорость испускания, хотя при обычных плотностях энергии и на оптических частотах член А2\ оказывается преобладающим. Если удается найти какой-либо иной метод, кроме прямого поглощения излучения состоянием 1, чтобы заселять состояние 2, то на последнем можно создать заселенность, превышающую равновесную. Если заселенность состояния 2 превышает заселенность состояния 1, то удобнее воспользоваться уравнением (8.26), переписанным в несколько ином виде:
Здесь возникает ситуация, когда электромагнитное излучение увеличивает скорость испускания. Такая ситуация, называемая инверсной заселенностью, является предпосылкой возникновения лазерной генерации (слово «лазер» представляет собой аббревиатуру из английских слов, означающих «усиление света стимулированным испусканием излучения»). [Заметим, что в уравнении Больцмана
отношение, превышающее единицу, возможно только при отрицательной абсолютной температуре. Поэтому инверсная заселенность иногда рассматривается как ситуация с отрицательной температурой.]
Самопроизвольное испускание в определенной степени происходит в любых условиях. При надлежащих условиях оно может сыграть роль излучения, которое стимулирует вынужденное испускание. Самопроизвольно испускаемый фотон стимулирует испускание других фотонов, каждый из которых в свою очередь стимулирует испукание новых фотонов, и в результате происходит каскадный эффект. Чтобы получить значительное усиление, требуется создать достаточно длинный оптический путь. С этой целью пригодное для лазерной генерации вещество помещают в отражательную полость. Расстояние между зеркалами может быть тщательно подобрано таким образом, чтобы усиление осуществлялось только для одной частоты из ряда частот, возможных для различных энергетических уровней. На практике зеркала, между которыми помещается лазерное вещество, могут образовывать интерферометр.
Свет, излучаемый лазером, отличается от обычного света целым рядом свойств. Так как весь испускаемый свет появляется в результате цепной реакции, зарождаемой первым самопроизвольно испущенным фотоном, то частота, фазовый угол
-—^- = N2A21 + (N2 - N1) Bl2pv
(8.26а)
(8.27)
188
Глава 8
[см. выражение (6.89)] и направление распространения всех фотонов оказываются одинаковыми. Такое излучение называется когерентным во времени (или монохроматическим, поскольку расхождение частот v чрезвычайно мало) и в пространстве (расхождение по фазовому углу а тоже чрезвычайно мало). Кроме того, в таких когерентных пучках удается получать очень высокую плотность мощности (мощность, отнесенную к единице площади сечения пучка). Мощность импульсных лазеров концентрируется в очень коротких импульсах. Это приводит к получению еще большей плотности мощности в единицу
(D-
(4)
Рис. 8.10. Схема энергетических уровней лазера. а — трехуровневая система; б — четырехуровневая система. Обозначения: а—возбуждение, b — безызлучательная конверсия, с — испускание лазерного излучения.
времени. Такие свойства открывают перед лазерами разнообразнейшие области применения: от* использования в роли скальпелей в микрохирургии до использования в качестве локаторов Луны с поверхности Земли.
Чтобы некоторую систему можно было использовать для получения лазерного излучения, она должна иметь по крайней мере три, а предпочтительнее четыре или больше энергетических уровня, обладающие особыми свойствами. Схемы таких уровней показаны на рис. 8.10. В трехуровневой системе низшее энергетическое состояние (1) опустошается в результате некоторого процесса возбуждения, который мы условно обозначим как стадия а (он может представлять собой поглощение излучения, электрический разряд или какой-либо иной процесс). Состояние (3) заселяется через состояние (2) обычно в ходе безызлучательного процесса, обозначаемого как стадия Ъ. Если стадии а и Ъ протекают быстрее, чем испускание из состояния (3), то в системе может создаться инверсная заселенность N-JNi. Это позволяет получить лазерное излучение (стадия с). Лазер с трехуровневой схемой действия требует большой мощности «накачки» для получения инверсной заселенности. В лазерах с четырехуровневой схемой оба состояния,
Электронные спектры многоэлектронных атомов
189
участвующие в испускании лазерного излучения, являются возбужденными; это позволяет намного легче получить высокую заселенность верхнего, активного в лазерном излучении состояния по сравнению с нижним состоянием.
Первый действующий лазер представлял собой твердотельную систему на рубине и был сконструирован Майманом в 1960 г. Это была трехуровневая система, действующая на ионах Cr3+ в кристалле рубина, в которой использовалась оптическая накачка. В 1961 г. Джован с сотрудниками создали первый газовый лазер на смеси гелий — неон. С того времени для создания лазеров было использовано много различных веществ— газовых, жидких и твердых. Прямое излучение этих лазеров дает частоты, перекрывающие большую часть видимого и инфракрасного спектральных диапазонов. Ультрафиолетовое лазерное излучение может быть получено на основе эффекта удвоения частоты (который объясняется особыми свойствами нелинейной оптики). На основе органических красителей удается построить лазеры с плавной перестройкой частоты.
