Emisja wymuszona. Lasery.

Weźmy dwa poziomy energetyczne atomu: poziomy m i n.

Mogą zachodzić trzy rodzaje zjawisk:

1. emisja spontaniczna promieniowania
2. absorpcja promieniowania
3. emisja wymuszona

Prawdopodobieństwo zachodzenia tych zjawisk określają współczynniki Einsteina:

A

nm

– współczynnik emisji spontanicznej

B

mn

– współczynnik absorpcji

B

nm

– współczynnik emisji wymuszonej

W normalnych warunkach, w układzie atomowym
istnieje rozkład energii opisany tzw. rozkładem
Boltzmanna (im wyższa energia atomów tym mniejsza
ich liczba).

Rozkład Boltzmanna

Jeżeli zbiór atomów znajduje się w stanie równowagi
termicznej, to liczba atomów w stanie wzbudzonym
określona jest wzorem:

*

*

0

kT

N

Ne

e

-

=

gdzie:

N* – liczba atomów w stanie wzbudzonym
N

0

– liczba atomów w stanie podstawowym



* – energia wzbudzenia

*

0

N

N

temperatura

15 C

3 * 10

-35

1500 C

10

-6

Średni czas życia atomu w stanie wzbudzonym wynosi 10

-8

– 10

-7

s.

B

nm

= B

mn

Prawdopodobieństwo emisji wymuszonej wywołanej kwantem
energii
h

 = 

n

-



m

, jest takie samo jak prawdopodobieństwo

absorpcji kwantu energii h.
Ponieważ B

nm

= B

mn

, emisja wymuszona będzie przeważać nad

absorpcją jedynie wtedy, gdy N

n

(liczba atomów w stanie

wzbudzonym) będzie przewyższać N

m

(liczba atomów w stanie

podstawowym – energetycznie niższym).

Taki antyboltzmannowski rozkład energii możemy uzyskać przez:

1. rozdzielenie atomów wzbudzonych od atomów
niewzbudzonych,

2. wykorzystanie tzw. stanów metastabilnych atomów, to znaczy
stanów wzbudzonych o stosunkowo długim (kilka rzędów
wielkości większym) czasie życia.

Promieniowanie wymuszone jest spójne z promieniowaniem
wymuszającym.
Ma tę samą częstość, kierunek rozchodzenia, fazę. W wyniku emisji
wymuszonej otrzymujemy promieniowanie spójne o wzmocnionym
natężeniu.

Z teorii Einsteina wynika, że:

B

nm

= B

mn

h

 = E

2

– E

1

Sytuacja w przypadku boltzmannowskiego rozkładu energii.

hv=E

n

-E

m

Sytuacja w przypadku antyboltzmannowskiego rozkładu energii.

hv=E

n

-E

m

Otrzymujemy promieniowanie wzmocnione, spójne (zgodne fazy),
jednokierunkowe, monochromatyczne.

Laser
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Laser helowo-neonowy (He – Ne)

zasilacz
wysokiego
napięcia

zwierciadło
nieprzeźroczyst
e

mieszanina helu i
neonu

zwierciadło
półprzepuszczaln
e

wiązka
laserowa

1961 r. Ali Javan – laser He-Ne

W mieszaninie helu i neonu liczba atomów
He kilkakrotnie przewyższa liczbę atomów
Ne.
Układ zwierciadeł zwiększa drogę
oddziaływania kwantów promieniowania z
atomami wzbudzonymi neonu oraz zwiększa
monochromatyczność wiązki. Zwierciadło
nieprzeźroczyste ma maksymalny
współczynnik odbicia promieniowania o
długości fali

 = 6328

o

A

Zasada działania lasera He-Ne

W wyniku zderzeń z elektronami atomy He przechodzą w wyższy
stan energetyczny o energii równej około 20,5 eV (przygotowanie
akcji laserowej). Wzbudzone atomy He przy zderzeniu z atomami
Ne przekazują im energię. Atomy Ne przechodzą w stan
metastabilny o energii równej ~ 20,5 eV (następuje inwersja
obsadzeń poziomów w atomach Ne – antyboltzmannowski rozkład
energii.).

Przy przejściu atomu Ne na poziom (2) o energii ok. 18,5 eV następuje emisja
promieniowania o długości fali  = 6328

o

A- promieniowania laserowego.

Przejście atomu Ne z poziomu (2) na poziom (1) jest spontaniczne ( = 6000

o

A

zaś z poziomu (1) na podstawowy następuje na ogół w czasie zderzeń
atomów
Ne ze ściankami rurki (przejście bezpromieniste).

)

Dioda laserowa

1960 – prototyp lasera He-Ne
(Ali Javan (Iran) – pracował w MIT)

współczesna dioda laserowa