В силу правил отбора у атомов многих элементов имеются энергетические уровни, с которых электрон не может непосредственно перейти на более низкий уровень. Эти уровни называются метастабильными состояниями. Электрон может перейти на такой уровень при соударениях с другим электроном или при переходе с более высокого уровня. Продолжительность пребывания электрона в метастабильном состоянии имеет порядок 10 -–3 с, в то время как в возбужденном состоянии – 10 –8 с.
Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное, называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит не когерентно, т.к. каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других (рис.15.1а).
Излучение энергии атомом, при котором переход из метастабильного состояния в основное вызывается электромагнитным излучением соответствующей частоты называется вынужденным, или индуцированным , излучением (рис.15.1б).
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома. Вынужденное излучение имеет такую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением, то есть 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. В системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т.е. падающее 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 инверсной заселенностью . Процесс создания неравновесного состоянии вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей) называется накачкой . Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами. Среды с инверсными состояниями называются активными. Их можно рассматривать в качестве сред с отрицательным коэффициентом поглощения, т.к. падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться.
Впервые на возможность получения сред, в которых свет может усиливаться за счет вынужденного излучения, указал в 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант. Он экспериментально обнаружил 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; 1951) легли в основу квантовой электроники, положения которой позволили впоследствии осуществить квантовые усилители и квантовые генераторы света.
Примечание: r" и k" - являются векторами r и k соответственно.
Один из основных выводов квантовой механики гласит, что каждая физическая система (например, электрон в атоме) может находиться только в одном из заданных энергетических состояний, - так называемых, собственных состояниях системы.
С каждым состоянием (скажем, с состоянием электрона) можно связать собственную функцию
Ψ (r" , t) = U n * (r") * e -iEnt/ħ
причем | Un (r") | 2 dxdydz - вероятность нахождения электрона в некотором состоянии n в пределах элементарного объема dxdydz с центром в точке, определяемой радиус-вектором r" , Е n - энергия n -го состояния, ħ = h/2π; - постоянная Планка.
Каждому электрону в некоторой физической системе (например, в атоме или молекуле) соответствует свое состояние, т.е. своя энергия, причем эта энергия имеет дискретное значение.
На рис. 7.1 приведена схема энергетических уровней такой физической системы (на примере атома) . Обратимся к двум из уровней этой системы - 1 и 2. Уровень 1 соответствует основному состоянию физической системы, где нахождение ее наиболее вероятно. На уровень 2 система (электрон в атоме) может попасть, если ей передана некоторая энергия, равная hv = | E 2 - E 1 |.
Этот уровень 2 атома является возбужденным состоянием. Если система (атом) находится в состоянии 2 в течение времени t 0 , то существует конечная вероятность, что он перейдет в состояние 1, испустив при этом квант электромагнитной энергии hv = E 2 - E 1 . Этот процесс, происходящий без воздействия внешнего поля случайно во времени (хаотически), называется спонтанным
.
Среднее число атомов, испытывающих спонтанный переход из состояния 2 в состояние 1 за одну секунду
DN 2 / dt = A 2 1 * N 2 = N 2 / (t cn) 2 1
где А 21 - скорость (вероятность) спонтанного перехода, (t cn) 21 = A 21 - 1 называется временем жизни атома в возбужденном состоянии, связанным с переходом 2→1. Спонтанные переходы происходят из любого данного состояния только в состояния, лежащие по энергии ниже (например, если атом находится в состоянии 3, то возможны прямые переходы 3→2, 3→1, а попавший на уровень 2 атом переходит спонтанно на уровень 1).
При наличии электромагнитного поля, имеющего частоту v ~ (E 2 - E 1) / h атом может совершить переход из состоянии 1 в состояние 2, поглощая при этом квант электромагнитного поля (фотон) с энергией hv. Однако, если атом в тот момент, когда он подвергается действию электромагнитного поля, уже находится в состоянии 2, то он может перейти в состояние 1 с испусканием кванта с энергией hv под воздействием этого поля. Этот переход соответствует индуцированному излучению.
Процесс индуцированного перехода от спонтанного отличает то, что для индуцированного перехода скорости переходов 2→1 и 1→2 равны, в то время как для спонтанного процесса скорость перехода 1→2, при котором энергия атома увеличивается, равна нулю.
Кроме этого, индуцированные процессы имеют и другие принципиальные особенности:
- скорость индуцированных процессов пропорциональна интенсивности электромагнитного поля, в то время как спонтанные от поля не зависят;
- волновой вектор k" , определяющий направление распространения индуцированного излучения, совпадает по направлению с соответствующим вектором вынуждающего поля (спонтанное излучение имеет произвольное направление распространения);
- частота, фаза и поляризация индуцированного излучения также совпадают с частотой, фазой и поляризацией вынуждающего поля, в то время как спонтанное излучение, даже имея ту же частоту, имеет произвольную случайную фазу и поляризацию.
Рассмотрим случай, когда плоская монохроматическая волна с частотой v и интенсивностью I v распространяется через среду с объемной плотностью атомов N 2 на уровне 2 и N 1 на уровне 1.
Если ввести скорость переходов, которые индуцируются монохроматическим полем с частотой v, обозначив ее через W i (v), то можно оценить условия, при которых будет существовать индуцированное излучение.
За 1 с в объеме 1 м 3 возникает N 2 W i индуцированных переходов с уровня 2 на уровень 1 и N 1 W i переходов с 1 на 2 уровень. Таким образом, полная мощность, генерируемая в единичном объеме
Переход возбужденной системы (атома, молекулы) с верхних энергетических уровней на нижние может происходить либо спонтанно, либо индуцированно.
Спонтанным называется самопроизвольный (самостоятельный) переход, обусловленный только факторами, действующими внутри системы и свойственными ей. Эти факторы определяют среднее время пребывания системы в возбужденном состоянии; согласно соотношению Гейзенберга (см. § 11),
Теоретически это время может иметь различные значения в пределах:
т. е. зависит от свойств системы - разброса значений энергии возбужденного состояния (за характеристику системы обычно принимается среднее значение времени пребывания в возбужденных состояниях в зависимости от среднего значения Следует учесть также воздействие на систему окружающего пространства («физического вакуума»), в котором даже в отсутствие электромагнитных волн существует, согласно квантовой теории, флуктуирующее поле («вакуумные флуктуации»); это поле может стимулировать переход бужденной системы к низшим уровням и должно быть включено в число неустранимых факторов, вызывающих спонтанные переходы.
Индуцированным называется вынужденный (стимулированный) переход в энергетически низшее состояние, вызванное каким-нибудь внешним воздействием на возбужденную систему: тепловыми столкновениями, взаимодействием с соседними частицами или проходящей через систему электромагнитной волной. Однако в литературе установилось более узкое определение: индуцированным называется переход, вызванный только электромагнитной волной, причем той же частоты, которая излучается системой при этом переходе (поля других частот не будут резонировать с собственными колебаниями системы,
поэтому их стимулирующее действие будет слабым). Так как «носителем» электромагнитного поля является фотон, то из этого определения следует, что при индуцированном излучении внешний фотон, стимулирует рождение нового фотона такой же частоты (энергии).
Рассмотрим важнейшие особенности спонтанного и индуцированного переходов на одном простом идеализированном примере. Допустим, что в объеме V с зеркальными стенками имеется одинаковых систем (атомов, молекул), из которых в начальный фиксированный момент времени некоторая часть переведена в возбужденное состояние с энергией суммарная избыточная энергия в этом объеме будет равна Для спонтанных переходов характерно следующее:
1) процесс перехода возбужденных систем в нормальные состояния (т. е. излучение избыточной энергии растянут во времени. Одни системы пребывают в возбужденном состоянии малое время для других это время больше. Поэтому поток (мощность) излучения будет с течением времени изменяться, достигнет максимума в некоторый момент и затем будет асимптотически убывать до нуля. Среднее значение потока излучения будет равно
2) момент времени, когда начинается излучение одной системы, и местонахождение этой системы совершенно не связаны с моментом излучения и местонахождением другой, т. е. между излучающими системами нет «согласованности» (корреляции) ни в пространстве, ни во времени. Спонтанные переходы являются совершенно случайными процессами, разбросанными во времени, по объему среды и по всевозможным направлениям; плоскости поляризации и электромагнитных излучений от различных систем имеют вероятностный разброс, поэтому сами излучатели не являются источниками когерентных волн.
Для характеристики индуцированных переходов допустим, что в рассматриваемый объем V в момент времени вводится один фотон с энергией, в точности равной Имеется некоторая вероятность того, что этот фотон при одном из столкновений с невозбужденной системой поглотится ею; эта вероятность будет учтена ниже в более общем случае (когда в объеме V происходит взаимодействие рассматриваемых систем с фотонным газом). Будем полагать, что фотон не поглощается, многократно отражается от стенок сосуда и при столкновениях с возбужденными системами стимулирует излучение таких же фотонов, т. е. вызывает индуцированные переходы. Однако каждый появившийся при этих переходах новый фотон будет также возбуждать индуцированные переходы. Так как скорости фотонов велики, а размеры объема V малы, то понадобится очень малое время для того, чтобы все имеющиеся в начальный момент времени возбужденные системы были вынуждены перейти в нормальное состояние. Следовательно, для индуцированных переходов характерно следующее:
1) время необходимое для излучения избыточной энергии может быть регулируемо и сделано очень малым, поэтому поток излучения может быть очень большим;
2) кроме того, фотон, вызвавший переход, и фотон такой же энергии (частоты), появившийся при этом переходе, находятся в одинаковой фазе, имеют одинаковые поляризацию и направление движения. Следовательно, электромагнитные волны, образующиеся при индуцированном излучении, когерентны.
Однако не каждое столкновение фотона с возбужденной системой приводит к ее переходу в нормальное состояние, т. е. вероятность индуцированного перехода в каждом «акте взаимодействия» фотона с системой не равна единице. Обозначим эту вероятность через Допустим, что в данный момент времени в объеме V имеется фотонов и каждый из них в среднем может иметь столкновений в единицу времени. Тогда число индуцированных переходов в единицу времени , следовательно, и число появившихся фотонов в объеме V будет равно
Обозначим число возбужденных систем в объеме V через Число столкновений фотонов с возбужденными системами будет пропорционально концентрации таких систем, т. е. Тогда может быть выражено в зависимости от :
где шинд учитывает все другие факторы, кроме числа фотонов и числа возбужденных систем
Увеличение числа фотонов в объеме V будет происходить также и вследствие спонтанного излучения. Вероятность спонтанного перехода есть обратная величина среднего времени пребывания в возбужденном состоянии Следовательно, число фотонов, появляющихся в единицу времени вследствие спонтанных переходов, будет равно
Уменьшение числа фотонов в объеме V будет происходить в результате их поглощения невозбужденными системами (при этом будет увеличиваться число возбужденных систем). Так как не каждый «акт взаимодействия» фотона с системой сопровождается поглощением, то следует ввести вероятность реализации поглощения Число столкг новений в единицу времени одного фотона с невозбужденными системами будет пропорционально числу таких систем поэтому по аналогии с (2.83) можно для убыли фотонов написать:
Найдем разность между интенсивностями процессов излучения и поглощения фотонов, т. е. процессов перехода систем из высших уровней на низшие и обратно:
В зависимости от значения в рассматриваемом объеме могут происходить следующие изменения;
1) если то в этом объеме будет происходить постепенное уменьшение плотности фотонного газа, т. е. поглощение лучистой энергии. Необходимым условием для этого является малая концентрация возбужденных систем: Лвозб
2) если то в системе установится равновесное состояние при некоторой определенной концентрации возбужденных систем и плотности лучистой энергии;
3) если (что возможно при больших значениях то в рассматриваемом объеме будет происходить увеличение плотности фотонного газа (лучистой энергии).
Очевидно, что уменьшение или увеличение энергии излучения будет иметь место не только в изолированном объеме с отражающими стенками, но и в том случае, когда поток монохроматической лучистой энергии (поток фотонов частотой распространяется в среде, содержащей возбужденные частицы избыточной энергией
Найдем относительное изменение числа фотонов, приходящееся на один фотон и на одну систему; воспользовавшись (2.86), (2.83), (2.84) и (2.85), получим
Заметим, что в равновесном состоянии (которое возможно только при положительной температуре согласно формуле (2.42), приведенной в § 12, отношение равно
Статистическая сумма в знаменателе в данном случае состоит только из двух слагаемых, соответствующих: 1) системам в нормальных состояниях с энергией и 2) возбужденным системам о энергией Из этой формулы следует, что при бесконечно большой положительной температуре Это означает, что путем повышения температуры невозможно достигнуть состояния, при котором число возбужденных систем было бы больше числа невозбужденных. было больше, чем Мневозб, т. е. необходимо, чтобы число фотонов, появляющихся при переходах на низшие уровни, было больше числа фотонов, поглощаемых за то же время). Выше было указано, что такое состояние не может быть достигнуто повышением температуры. Поэтому для получения среды, способной усиливать проходящий через нее лучистый поток, необходимо использовать другие (не температурные) способы возбуждения атомов и молекул.
Можно показать, что может быть больше (т. е. N) только при отрицательной температуре, т. е. при неравновесном состоянии рассматриваемой среды. Если, кроме того, это неравновесное состояние является метастабильным (см. ч. II, § 3), то можно при помощи подходящего внешнего воздействия вызвать скачкообразный переход к равновесному состоянию освобождением избыточной энергии за очень короткое время. Эта идея и лежит в основе работы лазеров.
Состояние среды, при котором верхние энергетические уровни имеют большие коэффициенты заполнения по сравнению с низшими, называется инверсионным. Так как в этом состоянии среда не ослабляет, как обычно, а усиливает проходящее через нее излучение, то в формуле для изменения интенсивности лучистого потока в среде
коэффициент будет отрицательной величиной (следовательно, показатель степени - положительной величиной). Ввиду этого среду в инверсионном состоянии называют средой с отрицательным показателем поглощения. Возможность получения таких сред, их свойства и использование для усиления оптического излучения были установлены и разработаны В. А. Фабрикантом и его сотрудниками (1939-1951).
Рис. 1. a - спонтанное излучение фотона; б - вынужденное излучение; в - резонансное поглощение; Е1 и Е2 - уровни энергии атома.
Атом, находясь в возбужденном состоянии а , может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией h = E 2 –Е 1). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным ) излучением . 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 hv = E 2 – E 1 , то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hv = E 2 – E 1 (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.
7 Принцип действия лазера
Ла́зер устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества.
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направление распространения, поляризацию и фазу Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические , электрические , химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное - через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы , ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы ). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности .
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн ), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости ] . Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера
Внутренняя энергия атомов, молекул, ионов, различных соединений и сред, образованных указанными частицами, квантована. Каждая молекула (атом, ион) может взаимодействовать с электромагнитным излучением, совершая переход с одного энергетического уровня на другой. При этом происходит изменение внутренней энергии от одного значения, соответствующего определенному движению и ориентации электронов и ядер, к другому значению, соответствующему другим движениям и ориентациям.
Энергия поля излучения также квантована, так что обмен энергией между полем и взаимодействующими с ним частицами может происходить только дискретными порциями.
Частота излучения, связанного с переходом атома (молекулы, иона) между энергетическими состояниями, определяется частотным постулатом Бора
где Е 1У Е 2 - соответственно энергия частицы (атом, молекула, ион) в верхнем и нижнем энергетических состояниях, Н - постоянная Планка, V - частота.
Не все переходы между энергетическими состояниями являются возможными. Если частица находится в верхнем состоянии, то имеется определенная вероятность, что через некоторый период времени она перейдет в нижнее состояние и произойдет изменение энергии. Этот переход может быть, как излучательным, так и безизлучательным, как под влиянием внешнего воздействия, так и без него. В среде, обладающей дискретными уровнями энергии, существуют три вида переходов: индуцированные у спонтанные и релаксационные.
При индуцированных переходах квантовая система может переводиться из одного энергетического состояния в другое как с поглощением квантов энергии внешнего поля, так и с излучением кванта электромагнитной энергии. Индуцированное, или вынужденное, излучение стимулируется внешним электромагнитным полем. Вероятность индуцированных переходов (как излучательных, так и безизлучательных) отлична от нуля только для внешнего поля резонансной частоты, энергия кванта которого совпадает с разностью энергий двух рассматриваемых состояний. Индуцированное излучение полностью тождественно излучению, вызывающему его. Это означает, что электромагнитная волна, созданная при индуцированных переходах, имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и внешнее излучение, вызвавшее индуцированный переход.
Если рассматриваемая квантовая система обладает двумя уровнями энергии Е 2 > Е х (рис. 17.1), при переходах между которыми излучается или поглощается квант энергии Лу, то частицы рассматриваемой системы находятся в поле их собственного излучения, спектральная объемная плотность энергии которого на частоте перехода равна р ч> . Это поле вызывает переходы как из нижнего состояния в верхнее, так и из верхнего в нижнее (рис. 17.1, а). Вероятности этих индуцированных
Рис. 17.1
переходов ДЛЯ поглощения И излучения 1^,2 и IV 21 в единицу времени соответственно пропорциональны р у:
где В 12 , В 21 - коэффициенты Эйнштейна соответственно для индуцированного поглощения и излучения.
Спонтанные переходы (рис. 17.1, б) происходят из верхнего энергетического состояния Е 2 в нижнее Е х самопроизвольно - без внешнего воздействия - с излучением кванта Лу, т. е. они являются излучательными. Вероятность с1и> 21 таких переходов не зависит от внешнего электромагнитного поля и пропорциональна времени. За время ск
где Л 21 - коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения.
Полное число переходов в единицу времени из энергетического состояния Е 2 ("верхнего") в "нижнее" состояние Е х (переход 2 - - 1) равно произведению числа частиц п 2 в состоянии 2 на вероятность перехода 2 -* 1 в единицу времени для одной частицы.
При термодинамическом равновесии ансамбль частиц не теряет и не приобретает энергии, т. е. число излученных квантов (число переходов из верхнего энергетического состояния Е 2 в нижнее Е х состояние) должно быть равно числу поглощенных квантов (числу переходов из состояния Е х в Е 2).
При тепловом равновесии распределение населенности частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана
где п 19 п 2 - соответственно число частиц, находящихся в состояниях Е х и Е 2 ё 1У § 2 - статистические веса (кратности вырождения) уровней 2 и 1. Пропорциональность населенностей уровней их статистическим весам обусловлена тем, что вероятность пребывания частицы в некотором квантовом состоянии определяется только энергией этого состояния, а различные квантовые состояния, целиком определяемые полным набором квантовых чисел, могут иметь одинаковые энергии.
При термодинамическом равновесии число излучательных переходов ИЗ верхнего СОСТОЯНИЯ В нижнее (N2) равно числу переходов из нижнего состояния в верхнее (А^,), происходящих с поглощением излучения. Число переходов ЛГ 2 определяется вероятностью одного перехода, умноженного на населенность уровня С энергией Еоу т. е.
Аналогично число индуцированных переходов из нижнего состояния в верхнее, определяющих поглощение энергии, равно
Соотношение между коэффициентами А 21 , -В 21 , В 12 находится из условия термодинамического равновесия, при котором ЛГ 1 = А^. Приравнивая выражения (17.4) и (17.5), можно определить спектральную плотность поля собственного (равновесного) излучения рассматриваемой равновесной системы
(что справедливо для равновесной системы) и использовать частотное условие Бора Лу = Е 2 - Е х, то, сделав предположение о равенстве вероятностей индуцированного поглощения и излучения, т. е. 8В У2 = £2^21" получим соотношение для коэффициентов Эйнштейна для спонтанного и вынужденного излучения:
Вероятность излучательных переходов в единицу времени (с испусканием квантов спонтанного и вынужденного излучения) равна
Оценки показывают, что для СВЧ и оптического диапазонов Л 21 <£ В 21 , т. е. вероятность спонтанного излучения много меньше, чем индуцированного, а поскольку спонтанное излучение определяет шумы, то в квантовых приборах роль шумов незначительна.
Необходимо отметить, что равновесное излучение всей системы частиц по отношению к каждой из частиц является внешним электромагнитным полем, стимулирующим поглощение или излучение частицей энергии в зависимости от ее состояния. Величина 8тсу 2 /с 3 , входящая в выражения (17.7) и (17.8), определяет число типов волн или колебаний в единичном объеме и в единичном интервале частот для области, размеры которой велики по сравнению с длиной волны X = с/.
Кроме индуцированных и спонтанных переходов в квантовых системах существенное значение имеют безизлучательные релаксационные переходы. Безизлучательные релаксационные переходы играют двойную роль: они приводят к дополнительному уширению спектральных линий (см. п. 17.3) и осуществляют установление термодинамического равновесия квантовой системы с ее окружением.
Релаксационные переходы происходят, как правило, вследствие теплового движения частиц. Поглощение тепла сопровождается переходами частиц на более высокий уровень и, наоборот, превращение энергии частицы в тепло происходит при переходе ее на более низкий уровень энергии. Таким образом, релаксационные переходы приводят к установлению вполне определенного для данной температуры равновесного распределения частиц по энергиям.
В реальных системах влиянием спонтанного излучения на естественную ширину спектральных линий можно пренебречь по сравнению с релаксационными процессами, которые более эффективно сокращают времена жизни возбужденных состояний, что и приводит к уширению спектральных линий (как это следует из соотношения неопределенностей для энергии-времени). Механизм этих процессов релаксации сильно зависит от конкретной системы. Например, для парамагнитных кристаллов, в частности в случае электронного парамагнитного резонанса, существенный вклад в уширение линий излучения вносят спин-спиновые и спин-решеточные взаимодействия и связанные с ними процессы релаксации с характерными временами соответственно порядка 10 _1 ..Л0 _3 с и 10~ 7 ...10~ к с.
Таким образом, релаксационные процессы, способствующие установлению теплового равновесия в среде, обеспечивают непрерывность процесса поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения.
