какое излучение называется индуцированным

Вынужденное излучение

Рис. 1a. Поглощение фотона.

Рис. 1б. Вынужденное испускание фотона.

Рис. 1в. Спонтанное испускание фотона.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. [1]

Содержание

Введение. Теория Эйнштейна

Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: и где — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, — спектральная плотность излучения.

Число переходов с поглощением света выражается как

с испусканием света даётся выражением:

где — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света при переходах должно равняться числу квантов испущенных в обратных переходах

Между коэффициентами Эйнштейна существует связь, которую мы сейчас найдем.

Связь между коэффициентами

Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью получаемой из формулы Планка:

Так как мы рассматриваем термодинамическое равновесие, то Используя уравнения (2) и (3), находим для состояния равновесия:

При термодинамическом равновесии распределение частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана :

где и — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.

Итак, сравнивая (4) и (5) и принимая во внимание, что получим:

Так как при спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то нам следует положить знаменатель равным нулю, откуда имеем:

Далее, сопоставив (3) и (6), легко получить:

Последние два соотношения справедливы для любых комбинаций уровней энергии. Их справедливость сохраняется и при отстутствии равновесия, так как определяются только характеристикой систем и не зависят от температуры.

Свойства вынужденного испускания

По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного.

Применение

Последние открытия

Британские ученые смогли замедлить испускание фотона при помощи «побочных продуктов», остающихся при изготовлении квантовых точек. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Ее основные положения приведены в пресс-релизе Университета Ворвика, сотрудники которого принимали участие в исследовании.

В своей работе физики «замедляли» свет, продлевая время жизни экситона. Экситон представляет собой квазичастицу, возникающую при выбивании электрона фотоном с его энергетического уровня на более высокий (говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние). Электрон и образовавшаяся на его месте «дырка» оказываются связаны друг с другом посредством зарядовых взаимодействий. Когда электрон возвращается на прежний энергетический уровень, он занимает место «дырки», а выбивший его фотон испускается системой.

Экситоны могут иметь различную природу. В частности, пару электрон-«дырка» может содержать кольцеобразный фрагмент материала, образовавшийся при производстве квантовых точек — изолированных нанообъектов, свойства которых заметно отличаются от свойств более крупных кусков такого же состава.

Авторы работы показали, что воздействие на такой квантовый бублик определенной комбинацией электрических и магнитных полей способно существенно замедлить скорость возвращения электрона на место «дырки» и испускания фотона.

Авторы работы считают, что у разработанной ими технологии большое будущее. Например, задержка испускания света может помочь в создании компьютеров, в которых фотоны используются для передачи информации.

См. также

Ссылки

Литература

А. Л. Микаэлян, М. Л. Тер-Микаелян Ю. Г. Турков. «Оптические генераторы на твёрдом теле». М.: Советское радио, 1967.

ar:انبعاث محفز ca:Emissió estimulada cs:Stimulovaná emise de:Stimulierte Emission en:Stimulated emission fi:Stimuloitu emissio fr:Émission stimulée he:פליטה מאולצת it:Emissione stimolata ja:誘導放出 ko:자극 방출 lt:Priverstinis spinduliavimas nl:Gestimuleerde emissie pl:Emisja wymuszona sv:Stimulerad emission uk:Вимушене випромінювання

Источник

Индуцированное излучение: определение явления, применение, свойства

Вам будет интересно: Конструкция used to: значение и использование

Условия получения индуцированного излучения

Процесс идентичен по форме атомному поглощению, в котором энергия поглощенного фотона вызывает идентичный, но противоположный атомный переход: от более низкого к более высокому уровню энергии. В нормальных средах в тепловом равновесии поглощение превышает стимулированное излучение, потому что в состояниях с более низкой энергией больше электронов, чем в состояниях с более высокой энергией.

Вам будет интересно: Структура научного познания: его методы, формы и виды

Однако когда присутствует инверсия населенности, скорость стимулированного излучения превышает скорость поглощения и может быть достигнуто чистое оптическое усиление. Такая среда усиления, наряду с оптическим резонатором, лежит в основе лазера или мазера. Не имея механизма обратной связи, лазерные усилители и суперлюминесцентные источники также функционируют на основе вынужденного излучения.

Каково основное условие получения индуцированного излучения?

Электроны и их взаимодействия с электромагнитными полями важны в нашем понимании химии и физики. В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбит, удаленных от ядра атома.

Когда электрон поглощает энергию света (фотоны) или тепла (фононы), он получает этот падающий квант энергии. Но переходы разрешены только между дискретными уровнями энергии, такими как два, показанных далее. Это приводит к появлению эмиссионных и абсорбционных линий.

Вам будет интересно: Информационные риски: понятие, анализ, оценка

Энергетический аспект

Далее речь пойдет об основном условии получения индуцированного излучения. Когда электрон возбуждается от более низкого до более высокого энергетического уровня, он вряд ли останется таким навсегда. Электрон в возбужденном состоянии может распасться до более низкого энергетического состояния, которое не занято, в соответствии с определенной постоянной времени, характеризующей этот переход.

Когда такой электрон распадается без внешнего воздействия, испуская фотон, это называется спонтанным излучением. Фаза и направление, связанные с испускаемым фотоном, являются случайными. Таким образом, материал со многими атомами в таком возбужденном состоянии может привести к излучению, которое имеет узкий спектр (центрированный вокруг одной длины волны света), но отдельные фотоны не будут иметь общих фазовых отношений и также будут излучаться в случайных направлениях. Это механизм флуоресценции и тепловыделения.

Внешнее электромагнитное поле на частоте, связанной с переходом, может влиять на квантово-механическое состояние атома без поглощения. Когда электрон в атоме совершает переход между двумя стационарными состояниями (ни одно из которых не показывает дипольное поле), он входит в переходное, которое имеет дипольное поле и действует как маленький электрический диполь, который колеблется при характерной частоте.

В ответ на внешнее электрическое поле на этой частоте вероятность перехода электрона в такое состояние значительно возрастает. Таким образом, скорость переходов между двумя стационарными состояниями превышает величину спонтанного излучения. Переход из более высокого в низкое энергетическое состояние создает дополнительный фотон с той же фазой и направлением, что и у падающего фотона. Это и есть процесс вынужденной эмиссии.

Открытие

Вынужденное излучение было теоретическим открытием Эйнштейна в рамках старой квантовой теории, в которой излучение описывается в терминах фотонов, которые являются квантами электромагнитного поля. Такое излучение также может происходить в классических моделях без привязки к фотонам или квантовой механике.

Вам будет интересно: Формулы площади поверхности правильной четырехугольной пирамиды. Расчет полной площади пирамиды Хеопса

Вынужденное излучение может быть смоделировано математически с учетом атома, который может находиться в одном из двух электронных энергетических состояний, состояния более низкого уровня (возможно, основного состояния) и возбужденного состояния, с энергиями E1 и E2 соответственно.

Если атом находится в возбужденном состоянии, он может распадаться в нижнее состояние в результате процесса самопроизвольного излучения, высвобождая разность энергий между двумя состояниями в виде фотона.

Альтернативно, если атом возбужденного состояния возмущен электрическим полем с частотой ν0, он может испускать дополнительный фотон той же частоты и в фазе, увеличивая тем самым внешнее поле, оставляя атом в состоянии с более низкой энергией. Этот процесс известен как стимулированное излучение.

Пропорциональность

В то же время будет происходить процесс атомного поглощения, который удаляет энергию из поля, поднимая электроны из нижнего состояния в верхнее. Его скорость определяется по существу идентичным уравнением.

Таким образом, чистая мощность выделяется в электрическое поле, равное энергии фотона, в h раз превышающей эту чистую скорость перехода. Чтобы это было положительное число, указывающее на суммарное спонтанное и индуцированное излучение, в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем на нижнем уровне.

Различия

Свойства индуцированного излучения по сравнению с обычными источниками света (которые зависят от спонтанного излучения) состоит в том, что испускаемые фотоны имеют ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и падающие фотоны. Таким образом, вовлеченные фотоны взаимно когерентны. Поэтому при инверсии происходит оптическое усиление падающего излучения.

Изменение энергии

Хотя энергия, генерируемая стимулированным излучением, всегда находится на точной частоте поля, которое ее стимулировало, приведенное выше описание вычисления скорости относится только к возбуждению на конкретной оптической частоте, сила стимулированного (или спонтанного) излучения будет уменьшаться в соответствии с так называемой формой линии. Учитывая только однородное уширение, влияющее на атомный или молекулярный резонанс, функция формы спектральной линии описывается как распределение Лоренца.

Таким образом, стимулированное излучение уменьшается на этот коэффициент. На практике также может иметь место расширение формы линии из-за неоднородного уширения, прежде всего из-за эффекта Доплера, возникающего в результате распределения скоростей в газе при определенной температуре. Это имеет гауссову форму и уменьшает пиковую силу функции формы линии. В практической задаче полная функция формы линии может быть вычислена посредством свертки отдельных задействованных функций формы линии.

Индуцированное излучение может обеспечить физический механизм для оптического усиления. Если внешний источник энергии стимулирует более 50 % атомов в основном состоянии к переходу в возбужденное состояние, то создается то, что называется инверсией населенности.

Когда свет соответствующей частоты проходит через инвертированную среду, фотоны либо поглощаются атомами, которые остаются в основном состоянии, либо стимулируют возбужденные атомы испускать дополнительные фотоны той же частоты, фазы и направления. Поскольку в возбужденном состоянии находится больше атомов, чем в основном состоянии, в результате происходит усиление входной интенсивности.

Поглощение излучения

Вам будет интересно: Егерские полки – прообраз современного спецназа

Обычно поглощение волн не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), хотя в определенных условиях (обычно в оптике) среда меняет прозрачность в зависимости от интенсивности проходящих волн и насыщаемого поглощения.

Существует несколько способов количественно определить, насколько быстро и эффективно поглощается излучение в определенной среде, например, коэффициент поглощения и некоторые тесно связанные производные величины.

Коэффициент ослабления

Несколько особенностей коэффициента ослабления:

Постоянные для уравнений

Другими мерами поглощения излучения являются глубина проникновения и скин-эффект, постоянная распространения, постоянная затухания, фазовая постоянная и комплексное волновое число, комплексный показатель преломления и коэффициент экстинкции, комплексная диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и проводимость.

Абсорбция

Абсорбция (также называемая оптическая плотность) и оптическая глубина (также называемая оптическая толщина) являются двумя взаимосвязанными показателями.

Все эти величины измеряют, по крайней мере до некоторой степени, насколько среда поглощает излучение. Тем не менее, практики различных областей и методов обычно используют разные величины, взятые из списка выше.

Абсорбция объекта количественно определяет, сколько падающего света поглощается им (вместо отражения или преломления). Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Бера–Ламберта.

Применение

Понимание и измерение поглощения электромагнитного и индуцированного излучения имеет множество применений.

При распространении, например, по радио он представлен вне прямой видимости.

Индуцированное излучение лазеров также общеизвестно.

В метеорологии и климатологии глобальные и локальные температуры частично зависят от поглощения излучения атмосферными газами (например, парниковым эффектом), а также поверхностью суши и океана.

В медицине рентгеновские лучи в разной степени поглощаются разными тканями (в частности, костью), что является основой для рентгенографии.

В химии и материаловедении также используется, так как разные материалы и молекулы будут поглощать излучение в разной степени на разных частотах, что позволяет идентифицировать материал.

В оптике солнцезащитные очки, цветные фильтры, красители и другие подобные материалы специально разработаны с учетом того, какие видимые длины волн они поглощают и в каких пропорциях. Строение очков зависит от того, при каких условиях индуцированное излучение появляется.

В биологии фотосинтезирующие организмы требуют, чтобы свет соответствующей длины волны поглощался в активной области хлоропластов. Это нужно, чтобы энергия света могла быть преобразована в химическую энергию внутри сахаров и других молекул.

В физике известно, что D-область ионосферы Земли значительно поглощает радиосигналы, которые попадают в высокочастотный электромагнитный спектр и связаны с индуцированным излучением.

В ядерной физике поглощение ядерных излучений может быть использовано для измерения уровней жидкости, денситометрии или измерений толщины.

Источник

Индуцированное излучение: определение явления, применение, свойства

Вам будет интересно: Топ-10 самых правильных переводчиков

Условия получения индуцированного излучения

Процесс идентичен по форме атомному поглощению, в котором энергия поглощенного фотона вызывает идентичный, но противоположный атомный переход: от более низкого к более высокому уровню энергии. В нормальных средах в тепловом равновесии поглощение превышает стимулированное излучение, потому что в состояниях с более низкой энергией больше электронов, чем в состояниях с более высокой энергией.

Вам будет интересно: Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени Столыпина

Однако когда присутствует инверсия населенности, скорость стимулированного излучения превышает скорость поглощения и может быть достигнуто чистое оптическое усиление. Такая среда усиления, наряду с оптическим резонатором, лежит в основе лазера или мазера. Не имея механизма обратной связи, лазерные усилители и суперлюминесцентные источники также функционируют на основе вынужденного излучения.

Каково основное условие получения индуцированного излучения?

Электроны и их взаимодействия с электромагнитными полями важны в нашем понимании химии и физики. В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбит, удаленных от ядра атома.

Вам будет интересно: Ненецкий язык: характеристики, история, письменность

Когда электрон поглощает энергию света (фотоны) или тепла (фононы), он получает этот падающий квант энергии. Но переходы разрешены только между дискретными уровнями энергии, такими как два, показанных далее. Это приводит к появлению эмиссионных и абсорбционных линий.

Энергетический аспект

Далее речь пойдет об основном условии получения индуцированного излучения. Когда электрон возбуждается от более низкого до более высокого энергетического уровня, он вряд ли останется таким навсегда. Электрон в возбужденном состоянии может распасться до более низкого энергетического состояния, которое не занято, в соответствии с определенной постоянной времени, характеризующей этот переход.

Когда такой электрон распадается без внешнего воздействия, испуская фотон, это называется спонтанным излучением. Фаза и направление, связанные с испускаемым фотоном, являются случайными. Таким образом, материал со многими атомами в таком возбужденном состоянии может привести к излучению, которое имеет узкий спектр (центрированный вокруг одной длины волны света), но отдельные фотоны не будут иметь общих фазовых отношений и также будут излучаться в случайных направлениях. Это механизм флуоресценции и тепловыделения.

Внешнее электромагнитное поле на частоте, связанной с переходом, может влиять на квантово-механическое состояние атома без поглощения. Когда электрон в атоме совершает переход между двумя стационарными состояниями (ни одно из которых не показывает дипольное поле), он входит в переходное, которое имеет дипольное поле и действует как маленький электрический диполь, который колеблется при характерной частоте.

В ответ на внешнее электрическое поле на этой частоте вероятность перехода электрона в такое состояние значительно возрастает. Таким образом, скорость переходов между двумя стационарными состояниями превышает величину спонтанного излучения. Переход из более высокого в низкое энергетическое состояние создает дополнительный фотон с той же фазой и направлением, что и у падающего фотона. Это и есть процесс вынужденной эмиссии.

Открытие

Вам будет интересно: Дальневосточный медицинский университет: описание, история основания, факультеты, отзывы

Вынужденное излучение было теоретическим открытием Эйнштейна в рамках старой квантовой теории, в которой излучение описывается в терминах фотонов, которые являются квантами электромагнитного поля. Такое излучение также может происходить в классических моделях без привязки к фотонам или квантовой механике.

Вынужденное излучение может быть смоделировано математически с учетом атома, который может находиться в одном из двух электронных энергетических состояний, состояния более низкого уровня (возможно, основного состояния) и возбужденного состояния, с энергиями E1 и E2 соответственно.

Если атом находится в возбужденном состоянии, он может распадаться в нижнее состояние в результате процесса самопроизвольного излучения, высвобождая разность энергий между двумя состояниями в виде фотона.

Альтернативно, если атом возбужденного состояния возмущен электрическим полем с частотой ν0, он может испускать дополнительный фотон той же частоты и в фазе, увеличивая тем самым внешнее поле, оставляя атом в состоянии с более низкой энергией. Этот процесс известен как стимулированное излучение.

Пропорциональность

В то же время будет происходить процесс атомного поглощения, который удаляет энергию из поля, поднимая электроны из нижнего состояния в верхнее. Его скорость определяется по существу идентичным уравнением.

Таким образом, чистая мощность выделяется в электрическое поле, равное энергии фотона, в h раз превышающей эту чистую скорость перехода. Чтобы это было положительное число, указывающее на суммарное спонтанное и индуцированное излучение, в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем на нижнем уровне.

Различия

Свойства индуцированного излучения по сравнению с обычными источниками света (которые зависят от спонтанного излучения) состоит в том, что испускаемые фотоны имеют ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и падающие фотоны. Таким образом, вовлеченные фотоны взаимно когерентны. Поэтому при инверсии происходит оптическое усиление падающего излучения.

Изменение энергии

Хотя энергия, генерируемая стимулированным излучением, всегда находится на точной частоте поля, которое ее стимулировало, приведенное выше описание вычисления скорости относится только к возбуждению на конкретной оптической частоте, сила стимулированного (или спонтанного) излучения будет уменьшаться в соответствии с так называемой формой линии. Учитывая только однородное уширение, влияющее на атомный или молекулярный резонанс, функция формы спектральной линии описывается как распределение Лоренца.

Таким образом, стимулированное излучение уменьшается на этот коэффициент. На практике также может иметь место расширение формы линии из-за неоднородного уширения, прежде всего из-за эффекта Доплера, возникающего в результате распределения скоростей в газе при определенной температуре. Это имеет гауссову форму и уменьшает пиковую силу функции формы линии. В практической задаче полная функция формы линии может быть вычислена посредством свертки отдельных задействованных функций формы линии.

Индуцированное излучение может обеспечить физический механизм для оптического усиления. Если внешний источник энергии стимулирует более 50 % атомов в основном состоянии к переходу в возбужденное состояние, то создается то, что называется инверсией населенности.

Когда свет соответствующей частоты проходит через инвертированную среду, фотоны либо поглощаются атомами, которые остаются в основном состоянии, либо стимулируют возбужденные атомы испускать дополнительные фотоны той же частоты, фазы и направления. Поскольку в возбужденном состоянии находится больше атомов, чем в основном состоянии, в результате происходит усиление входной интенсивности.

Поглощение излучения

Вам будет интересно: «Фельдфебель» — это военное звание

Обычно поглощение волн не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), хотя в определенных условиях (обычно в оптике) среда меняет прозрачность в зависимости от интенсивности проходящих волн и насыщаемого поглощения.

Существует несколько способов количественно определить, насколько быстро и эффективно поглощается излучение в определенной среде, например, коэффициент поглощения и некоторые тесно связанные производные величины.

Коэффициент ослабления

Несколько особенностей коэффициента ослабления:

Постоянные для уравнений

Другими мерами поглощения излучения являются глубина проникновения и скин-эффект, постоянная распространения, постоянная затухания, фазовая постоянная и комплексное волновое число, комплексный показатель преломления и коэффициент экстинкции, комплексная диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и проводимость.

Абсорбция

Абсорбция (также называемая оптическая плотность) и оптическая глубина (также называемая оптическая толщина) являются двумя взаимосвязанными показателями.

Все эти величины измеряют, по крайней мере до некоторой степени, насколько среда поглощает излучение. Тем не менее, практики различных областей и методов обычно используют разные величины, взятые из списка выше.

Абсорбция объекта количественно определяет, сколько падающего света поглощается им (вместо отражения или преломления). Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Бера–Ламберта.

Применение

Понимание и измерение поглощения электромагнитного и индуцированного излучения имеет множество применений.

При распространении, например, по радио он представлен вне прямой видимости.

Индуцированное излучение лазеров также общеизвестно.

В метеорологии и климатологии глобальные и локальные температуры частично зависят от поглощения излучения атмосферными газами (например, парниковым эффектом), а также поверхностью суши и океана.

В медицине рентгеновские лучи в разной степени поглощаются разными тканями (в частности, костью), что является основой для рентгенографии.

В химии и материаловедении также используется, так как разные материалы и молекулы будут поглощать излучение в разной степени на разных частотах, что позволяет идентифицировать материал.

В оптике солнцезащитные очки, цветные фильтры, красители и другие подобные материалы специально разработаны с учетом того, какие видимые длины волн они поглощают и в каких пропорциях. Строение очков зависит от того, при каких условиях индуцированное излучение появляется.

В биологии фотосинтезирующие организмы требуют, чтобы свет соответствующей длины волны поглощался в активной области хлоропластов. Это нужно, чтобы энергия света могла быть преобразована в химическую энергию внутри сахаров и других молекул.

В физике известно, что D-область ионосферы Земли значительно поглощает радиосигналы, которые попадают в высокочастотный электромагнитный спектр и связаны с индуцированным излучением.

В ядерной физике поглощение ядерных излучений может быть использовано для измерения уровней жидкости, денситометрии или измерений толщины.

Источник