§ 232.  Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения

Как отмечалось выше, атомы могут на­ходиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е₁, Е₂, е₃, ... . Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е₁ и E₂ Если атом находится в основном состоянии 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынуж­денный переход в возбужденное состояние 2 (рис. 309, а), приводящий к поглощению излучения. Вероятность подобных перехо­дов пропорциональна плотности излуче­ния, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном со­стоянии 2, может через некоторый про­межуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в со­стояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную

 

372

энергию в виде электромагнитного излуче­ния (испуская фотон с энергией hn=E₂-E₁). Процесс испускания фотона воз­бужденным атомом (возбужденной мик­росистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис. 309, б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше сред­нее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излу­чение некогерентно.

В 1916 г. А. Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамиче­ского равновесия между веществом и ис­пускаемым и поглощаемым им излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен су­ществовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находя­щийся в возбужденном состоянии 2, дей­ствует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hn=E₂-E₁, то возникает вынужденный (индуцирован­ный) переход в основное состояние 1 с из­лучением фотона той же энергии hn=E₂-Е₁ (рис. 309, в). При подобном пе­реходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких перехо­дов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Таким об­разом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения воз­бужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первич­ных, являясь точной их копией.

В    статистической    физике    известен

принцип детального равновесия, согласно которому при термодинамическом равно­весии каждому процессу можно сопоста­вить обратный процесс, причем скорость их протекания одинакова. А. Эйнштейн применил этот принцип и закон сохране­ния энергии для излучения и поглощения электромагнитных волн в случае черного тела. Из условия, что при равновесии пол­ная вероятность испускания (спонтанного и вынужденного) фотонов равна вероятно­сти поглощения фотонов той же частоты, Эйнштейн получил выведенную ранее Планком формулу (200.3).

Эйнштейн и Дирак показали, что вы­нужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичным фотонам): оно имеет такую же частоту, фазу, поляризацию и направле­ние распространения, как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждаю­щим излучением, т. е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом.

Испущенные фотоны, двигаясь в од­ном направлении и встречая другие воз­бужденные атомы, стимулируют дальней­шие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением воз­можен и конкурирующий процесс — по­глощение. Поэтому для усиления падаю­щего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов (оно пропорционально заселенности воз­бужденных состояний) превышало число актов поглощения фотонов (оно пропорци­онально заселенности основных состоя­ний). В системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, погло­щение падающего излучения будет пре­обладать над вынужденным, т. е. падаю-

 

 

373

щее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать нерав­новесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состоя­ния вещества (перевод системы в состоя­ние с инверсией населенностей) называет­ся накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами.

В средах в инверсном состоянии вы­нужденное излучение может превысить по­глощение, вследствие чего падающий пу­чок света при прохождении через эти сре­ды будет усиливаться (эти среды на­зываются активными). В данном случае явление протекает так, как если бы в за­коне Бугера I= I₀е^-ax (см. (187.1)) ко­эффициент поглощения a, зависящий, в свою очередь, от интенсивности излуче­ния, стал отрицательным. Активные среды поэтому можно рассматривать в качестве сред с отрицательным коэффициентом по­глощения.

Впервые на возможность получения сред, в которых свет может усиливаться за счет вынужденного излучения, указал в 1939 г. советский физик В. А. Фабри­кант, экспериментально обнаружив вы­нужденное излучение паров ртути, воз­бужденных при электрическом разряде. Открытие явления усиления электромаг­нитных волн и изобретенный способ их усиления (В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский, Ф. А. Бутаева; авторское свидетель­ство 1951 г.) легли в основу квантовой электроники, разработавшей «чудо XX в.» — квантовые усилители и кванто­вые генераторы света.