Emisja wymuszona. Lasery.

Weźmy dwa poziomy energetyczne atomu 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:

gdzie:

N^* - liczba atomów w stanie wzbudzonym

N₀ - liczba atomów w stanie podstawowym

ε^* - energia wzbudzenia

temperatura
15° C	3 * 10^-35
1500° C	10^-6

Średni czas życia atomu w stanie wzbudzonym wynosi 10^-8 - 10^-7 s.

Z teorii Einsteina wynika, że:

B_nm = B_mn

Prawdopodobieństwo emisji wymuszonej wywołanej kwantem energii
hν = ε_n - ε_m , jest takie samo jak prawdopodobieństwo absorpcji kwantu energii hν.

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 większych) 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.

Sytuacja w przypadku boltzmannowskiego rozkładu energii.

Sytuacja w przypadku antyboltzmannowskiego rozkładu energii.

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

Laser

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Laser helowo-neonowy (He - Ne)

1961 r. Ali Javan - laser

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 λ = 6328

Zasada działania

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 λ = 6328
- promieniowania laserowego.

Przejście atomu Ne z poziomu (2) na poziom (1) jest spontaniczne (λ = 6000
), zaś z poziomu (1) na podstawowy następuje na ogół w czasie zderzeń atomów Ne ze ściankami rurki (przejście bezpromieniste).

Emisja wymuszona. Lasery. • Fizyka 2002 - 2003

7

---