Вынужденные переходы
Рассмотрим взаимодействие группы идентичных атомов с полем излучения, плотность энергии которого распределена равномерно по частотам вблизи частоты перехода. При воздействии на атом электромагнитного излучения резонансной частоты (n=ν21=(E2-E1)/h) существует конечная вероятность того, что атом перейдет из состояния 1 на верхний уровень 2, поглощая при этом квант электромагнитного поля (фотон) с энергией hn (рис.1.2б).
Разность энергий (E2-E1) необходимая для того, чтобы атом совершал такой переход, берется из энергии падающей волны. В этом заключается процесс поглощения, который можно описать с помощью скоростного уравнения (dN1/dt)п=W12N1=rnB12N1, (1.16)
где N1 – населенность уровня 1, W12=rvB12 – вероятность поглощения в единицу времени, rv – спектральная объемная плотность энергии падающего излучения, В12 – коэффициент Эйнштейна для поглощения.
Используется также другое выражение для вероятности W12 в виде:
W12=s12F, (1.17)
где F – плотность потока падающих фотонов, s12 – величина, называемая сечением поглощения, [s12]= м2.
Предположим теперь, что атом первоначально находится на верхнем уровне 2 и на вещество падает волна с частотой n=n21. Тогда существует конечная вероятность того, что эта волна инициирует переход атома с уровня 2 на уровень 1. При этом разность энергий (E2-E1) выделится в виде электромагнитной волны, которая добавится к энергии падающей волны. Это и есть явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Процесс вынужденного излучения можно описать с помощью скоростного уравнения: (dN2/dt)вын=W21N2=rnB21N2, (1.18)
где N2 – населенность уровня 2, W21=rvB21 – вероятность вынужденного перехода в единицу времени, B21-коэффициент Эйнштейнадлявынужденного перехода. И в этом случае для вероятности перехода справедливо соотношение: W21=s21F, (1.19)
где s21 – сечение вынужденного излучения для перехода 2→1.
Между процессами спонтанного и вынужденного излучения имеется принципиальное отличие. Вероятности индуцированных переходов пропорциональны спектральной объемной плотности электромагнитного поля, а спонтанных от внешнего поля не зависят. В случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну, фаза которой не имеет определенной связи с фазой волны, излученной другим атомом. Более того, испущенная волна может иметь любое направление распространения.
В случае же вынужденного излучения, поскольку процесс инициируется падающей волной, излучение любого атома добавляется к этой волне в той же фазе. Падающая волна определяет также поляризацию и направление распространения испущенной волны. Таким образом, с ростом числа вынужденных переходов интенсивность волны возрастает, в то время как ее частота, фаза, поляризация и направление распространения остаются неизменными. Другими словами, в процессе вынужденных переходов из состояния E2 в состояние E1 происходит когерентное усиление электромагнитного излученияна частоте n21=(E2-E1)/h. Разумеется, при этом происходят и обратные переходы E1®E2 с поглощением электромагнитного излучения.
Дата добавления: 2016-11-26; просмотров: 1679;