Et atoms laveste energiniveau svarer til en bane med den mindste radius. I sin normale tilstand er elektronen i denne bane. Når en del af energien tilføres, bevæger elektronen sig til et andet energiniveau, dvs. "hopper" til en af de ydre baner. I denne såkaldte exciterede tilstand er atomet ustabilt. Efter noget tid bevæger elektronen sig til et lavere niveau, dvs. ind i en bane med mindre radius. Overgangen af en elektron fra en fjern bane til en nær en er ledsaget af udsendelsen af et lyskvante. Lys er en strøm af specielle partikler, der udsendes af atomer - fotoner eller kvanter af elektromagnetisk stråling. De skal opfattes som segmenter af en bølge og ikke som partikler af stof. Hver foton bærer en strengt defineret del af energi "udstødt" af atomet.
I grundtilstanden er atomer på 1. energiniveau med den laveste energi. For at overføre et atom til niveau 2, skal det have energien hν=∆E=E2-E1. Eller de siger, at det er nødvendigt for et atom at interagere med et energikvantum. Den omvendte overgang af 2 elektroner kan forekomme spontant, kun i én retning. Sammen med disse overgange er tvungne overgange under påvirkning af ekstern stråling også mulige. Overgang 1à2 er altid forceret. Et atom, der befinder sig i tilstand 2, lever i det i 10 (s.-8) s, hvorefter atomet spontant vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Sammen med den spontane 2à1-overgang er en tvungen overgang mulig, hvor det energikvante, der forårsagede denne overgang, udsendes. Denne yderligere stråling kaldes tvunget eller induceret. At. Under påvirkning af ekstern stråling er 2 overgange mulige: stimuleret emission og stimuleret absorption, og begge processer er lige sandsynlige. Det yderligere kvante, der udsendes under stimuleret emission, fører til forstærkning af lys. Induceret stråling har følgende egenskaber: 1) opvarmningen af det inducerede kvante falder sammen med spændingen af det inducerende kvante, 2) fasen, polariseringen, frekvensen af den inducerende stråling falder sammen med fasen, polariseringen og frekvensen af den inducerende stråling, dvs. induceret og inducerende stråling er meget kohærente, 3) med hver induceret overgang er der en forstærkning på 1 kvantum energi, dvs. lys forstærkning. j
BILLET 8
Subjektive egenskaber ved lydopfattelse, deres forhold til objektive egenskaber ved lyd.
Subjektive lydkarakteristika
I det menneskelige sind dannes der under påvirkning af nerveimpulser, der kommer fra det lydmodtagende organ, hørefornemmelser, som subjektet kan karakterisere på en bestemt måde.
Der er tre subjektive karakteristika ved lyd baseret på de fornemmelser, som en given lyd fremkalder i motivet: tonehøjde, klangfarve og lydstyrke.
Begrebet højde bruges af forsøgspersonen til at evaluere lyde af forskellige frekvenser: jo højere frekvensen af lyden er, jo højere kaldes den givne lyd. Der er dog ingen en-til-en overensstemmelse mellem frekvensen af en lyd og dens tonehøjde. Opfattelsen af tonehøjden af en lyd er påvirket af dens intensitet. Af to lyde af samme frekvens opfattes lyden med højere intensitet som lavere.
En lyds klangfarve er en kvalitativ egenskab ved lyd (en slags "farvning" af lyd) forbundet med dens spektrale sammensætning. Forskellige menneskers stemmer adskiller sig fra hinanden. Denne forskel bestemmes af den forskellige spektrale sammensætning af lyde produceret af forskellige mennesker. Der er specielle navne for stemmer af forskellig klangfarve: bas, tenor, sopran osv. Af samme grund skelner folk mellem de samme toner spillet på forskellige musikinstrumenter: forskellige instrumenter har forskellige spektrale sammensætninger af lyde.
Lydstyrke er en subjektiv egenskab ved lyd, der bestemmer niveauet af auditiv fornemmelse: Jo højere niveau af auditiv fornemmelse, som et subjekt oplever, jo højere kalder subjektet lyden.
Størrelsen af den auditive fornemmelse (lydstyrken) afhænger af lydens intensitet og følsomheden af individets høresystem. Jo højere lydintensiteten er, jo højere er den auditive fornemmelse (lydstyrken), alt andet lige.
Det menneskelige høresystem er i stand til at opfatte lyde, hvis intensitet varierer over et meget bredt område. For at en auditiv fornemmelse kan opstå, skal lydintensiteten overstige en vis værdi / 0. Minimumsværdien af lydintensitet / 0, som opfattes af forsøgspersonens høreapparat, kaldes tærskelintensiteten eller hørbarhedens tærskel. Høretærsklen har forskellige værdier for forskellige mennesker og ændrer sig i takt med at lydens frekvens ændres. I gennemsnit, for personer med normal hørelse ved frekvenser på 1-3 kHz, tages høretærsklen Io til at være 10" 12 W/m".
På den anden side, når lydintensiteten overstiger en vis grænse i høreorganet, opstår der i stedet for en auditiv fornemmelse en smertefornemmelse.
Den maksimale værdi af lydintensitet I Maxi, der stadig opfattes af forsøgspersonen som en lydfornemmelse, kaldes smertetærsklen. Værdien af smertetærsklen er cirka 10 W/m." Høretærsklen på 1 0 og smertetærsklen på 1 max bestemmer omfanget af intensiteter af lyde, der skaber en auditiv fornemmelse hos individet.
Blokdiagram af en elektronisk diagnostisk enhed. Termisk sensor, enhed og funktionsprincip. Termisk sensor følsomhed.
Spektroskop. Optisk design og funktionsprincip for spektroskopet.
BILLET 9
Weber-Fechners lov. Volumen af lyde, enheder for lydstyrke.
Følsomheden af det menneskelige høresystem afhænger til gengæld af lydens intensitet og dens frekvens. Følsomhedens afhængighed af intensitet er en fælles egenskab for alle sanseorganer og kaldes tilpasning. Sansernes følsomhed over for en ekstern stimulus falder automatisk med stigende intensitet af stimulus. Det kvantitative forhold mellem et organs følsomhed og intensiteten af stimulus er udtrykt af den empiriske Weber-Fechner-lov: når man sammenligner to stimuli, er stigningen i sansningsstyrken proportional med logaritmen af forholdet mellem intensiteterne af stimuli.
Matematisk er dette forhold udtrykt ved forholdet
∆E = E2-E1, = k*lgI2/I1
hvor I 2 og I 1 er intensiteten af stimuli,
E 2 og E 1 - de tilsvarende styrker af fornemmelser,
k er en koefficient, der afhænger af valget af enheder til måling af intensiteter og styrker af fornemmelser.
I overensstemmelse med Weber-Fechner-loven, når lydens intensitet øges, øges også størrelsen af den auditive fornemmelse (lydstyrken); men på grund af et fald i følsomheden øges størrelsen af den auditive fornemmelse i mindre grad end lydens intensitet. Størrelsen af den auditive fornemmelse stiger med stigende lydintensitet i forhold til logaritmen af intensiteten.
Ved at bruge Weber-Fechner-loven og begrebet tærskelintensitet kan der indføres et kvantitativt skøn over lydstyrken. Lad os indsætte i formel (4) intensiteten af den første stimulus (lyd) lig med tærsklen (I 1 =I 0), så vil E 1 være lig nul. Udelade indekset "2", får vi E = k*lgI/I 0
Størrelsen af den auditive fornemmelse (lydstyrken) E er proportional med logaritmen af forholdet mellem intensiteten af lyden, der skabte denne fornemmelsesstørrelse, og tærskelintensiteten I 0. Ved at sætte proportionalitetskoefficienten til lig med én, får vi størrelsen af den auditive fornemmelse E i enheder kaldet "bel".
Således er størrelsen af den auditive fornemmelse (lydstyrken) bestemt af formlen
E = logI/I0 [B].
Sammen med bels bruges en enhed, der er 10 gange mindre, kaldet "decibel". Lydens volumen i decibel bestemmes af formlen
E = 10 lgI/10 [DB].
Blokdiagram af en elektronisk diagnostisk enhed. Forstærkerens formål og hovedegenskaber. Typer af forvrængning. Forstærkerforstærkning, dens afhængighed af kredsløbsparametre.
Transmittans og optisk tæthed af opløsninger, deres afhængighed af koncentration.
Bemærk: r" og k" er henholdsvis vektorerne r og k.
En af kvantemekanikkens hovedkonklusioner siger, at hvert fysisk system (for eksempel en elektron i et atom) kun kan være i en af de givne energitilstande, systemets såkaldte egentilstande. Hver tilstand (f.eks. elektrontilstanden) kan associeres med en egenfunktion
Ψ (r", t) = U n * (r") * e -iEnt/ħ
og | Un (r") | 2 dxdydz - sandsynligheden for at finde en elektron i en bestemt tilstand n inden for et elementært volumen dxdydz med et centrum i et punkt bestemt af radiusvektoren r", E n - energien i den n'te tilstand, ħ = h/2π; - Planck er konstant.
Hver elektron i et eller andet fysisk system (for eksempel i et atom eller molekyle) svarer til sin egen tilstand, dvs. sin egen energi, og denne energi har en diskret værdi.
I fig. Figur 7.1 viser et diagram over energiniveauerne i et sådant fysisk system (ved at bruge eksemplet med et atom). Lad os vende os til to af niveauerne i dette system - 1 og 2. Niveau 1 svarer til grundtilstanden i det fysiske system, hvor det er mest sandsynligt at finde. Et system (elektron i et atom) kan nå niveau 2, hvis noget energi lig med hv = | E 2 - E 1 |.
Dette niveau 2 af atomet er en exciteret tilstand. Hvis systemet (atomet) er i tilstand 2 i tiden t 0, så er der en begrænset sandsynlighed for, at det vil gå i tilstand 1 og udsende en kvante af elektromagnetisk energi hv = E 2 - E 1. Denne proces, som sker tilfældigt i tid (kaotisk) uden påvirkning af et eksternt felt, kaldes spontan.
Gennemsnitligt antal atomer, der gennemgår en spontan overgang fra tilstand 2 til tilstand 1 på et sekund
DN 2 / dt = A 2 1 * N 2 = N 2 / (t cn) 2 1
hvor A 21 er hastigheden (sandsynligheden) for en spontan overgang, (t cn) 21 = A 21 - 1 kaldes levetiden for et atom i en exciteret tilstand forbundet med 2→1-overgangen. Spontane overgange sker kun fra en given tilstand til tilstande med lavere energi (f.eks. hvis et atom er i tilstand 3, så er direkte overgange 3→2, 3→1 mulige, og et atom, der ender i niveau 2, går spontant til niveau 1).
I nærvær af et elektromagnetisk felt med en frekvens v ~ (E 2 - E 1) / h, kan et atom lave en overgang fra tilstand 1 til tilstand 2, mens det absorberer en kvante af det elektromagnetiske felt (foton) med energi hv. Men hvis atomet allerede er i tilstand 2 i det øjeblik, det udsættes for det elektromagnetiske felt, så kan det gå til tilstand 1 med udsendelse af et kvante med energi hv under påvirkning af dette felt. Denne overgang svarer induceret stråling.
Processen med en induceret overgang adskiller sig fra en spontan ved, at for en induceret overgang er hastighederne for overgange 2→1 og 1→2 ens, mens for en spontan proces er overgangshastigheden 1→2, hvor energien af atom stiger, er nul.
Derudover har inducerede processer andre grundlæggende funktioner:
- hastigheden af inducerede processer er proportional med intensiteten af det elektromagnetiske felt, mens spontane processer ikke afhænger af feltet;
- bølgevektoren k", som bestemmer udbredelsesretningen for den inducerede stråling, falder sammen i retning med den tilsvarende vektor af drivfeltet (spontan stråling har en vilkårlig udbredelsesretning);
- frekvensen, fasen og polariseringen af den stimulerede emission falder også sammen med frekvensen, fasen og polariseringen af drivfeltet, mens spontan emission, selv med samme frekvens, har en vilkårlig tilfældig fase og polarisering.
Lad os overveje tilfældet, når en plan monokromatisk bølge med frekvens v og intensitet I v forplanter sig gennem et medium med en volumentæthed af atomer N 2 på niveau 2 og N 1 på niveau 1.
Hvis vi introducerer hastigheden af overgange, der induceres af et monokromatisk felt med frekvensen v, der angiver det med W i (v), så kan vi estimere de forhold, under hvilke induceret stråling vil eksistere.
På 1 s, i et volumen på 1 m 3, forekommer N 2 Wi-inducerede overgange fra niveau 2 til niveau 1 og N 1 Wi-overgange fra niveau 1 til 2. Altså den samlede strøm genereret i en enhedsvolumen
Ris. 1. a - spontan fotonemission; b - stimuleret emission; c - resonansabsorption; E1 og E2 er atomets energiniveauer.
Et atom i en ophidset tilstand EN, kan efter et vist tidsrum spontant, uden nogen ydre påvirkninger, gå ind i en tilstand med lavere energi (i vores tilfælde ind i den primære) og afgive overskydende energi i form af elektromagnetisk stråling (udsender en foton med energi h = E 2 –E 1). Processen med emission af en foton fra et exciteret atom (exciteret mikrosystem) uden nogen ydre påvirkninger kaldes spontan(eller spontan) stråling. Jo større sandsynligheden for spontane overgange er, jo kortere er den gennemsnitlige levetid for et atom i en exciteret tilstand. Da spontane overgange ikke er indbyrdes relaterede, er spontan emission usammenhængende.
I 1916 postulerede A. Einstein, for at forklare den eksperimentelt observerede termodynamiske ligevægt mellem stof og den stråling, der udsendes og absorberes af det, at der foruden absorption og spontan emission skulle være en tredje, kvalitativt anderledes type interaktion. Hvis på et atom i en exciteret tilstand 2 , virker ekstern stråling med en frekvens, der tilfredsstiller betingelsen hv= E 2 – E 1 , så opstår det tvungen (induceret) overgang til grundtilstanden 1 med udsendelse af en foton af samme energi hv= E 2 – E 1 (fig. 309, c). Under en sådan overgang sker der stråling fra atomet foton, desuden til den foton, under hvis indflydelse overgangen skete. Den stråling, der opstår ved sådanne overgange, kaldes tvungen (induceret) stråling. Således er to fotoner involveret i processen med stimuleret emission: en primær foton, der får det exciterede atom til at udsende stråling, og en sekundær foton, der udsendes af atomet. Det er væsentligt, at sekundære fotoner udskillelige fra de primære, væren en nøjagtig kopi af dem.
7 Laserdriftsprincip
Laser en enhed, der omdanner pumpeenergi (lys, elektrisk, termisk, kemisk osv.) til energien af en sammenhængende, monokromatisk, polariseret og meget målrettet strålingsflux.
Det fysiske grundlag for laserdrift er det kvantemekaniske fænomen tvungen (induceret) stråling. Laserstrålen kan være kontinuerlig, med konstant amplitude eller pulseret, og nå ekstremt høje spidseffekter. I nogle skemaer bruges laserarbejdselementet som en optisk forstærker til stråling fra en anden kilde. Der er et stort antal typer lasere, der bruger alle aggregerede tilstande af stof som et arbejdsmedium.
Det fysiske grundlag for laserdrift er fænomenet tvungen (induceret) stråling. Essensen af fænomenet er, at et exciteret atom er i stand til at udsende en foton under påvirkning af en anden foton uden dens absorption, hvis energien af sidstnævnte er lig med forskellen i energierne af atomets niveauer før og efter stråling. I dette tilfælde er den udsendte foton sammenhængende med den foton, der forårsagede strålingen (det er dens "nøjagtige kopi"). På denne måde forstærkes lyset. Dette fænomen adskiller sig fra spontan emission, hvor de udsendte fotoner har en tilfældig udbredelsesretning, polarisation og fase. Sandsynligheden for, at en tilfældig foton vil forårsage stimuleret emission af et exciteret atom er nøjagtigt lig med sandsynligheden for absorption af denne foton ved en atom i en uexciteret tilstand. For at forstærke lys er det derfor nødvendigt, at der er flere exciterede atomer i mediet end uexciterede (den såkaldte populationsinversion). I en tilstand af termodynamisk ligevægt er denne betingelse ikke opfyldt, derfor anvendes forskellige systemer til at pumpe det aktive lasermedium ( optisk, elektrisk, kemisk og osv.).
Den primære kilde til generering er processen med spontan emission, derfor, for at sikre kontinuiteten af generationer af fotoner, er eksistensen af en positiv feedback nødvendig, på grund af hvilken de udsendte fotoner forårsager efterfølgende handlinger af induceret emission. For at gøre dette anbringes det laseraktive medium i et optisk hulrum. I det enkleste tilfælde består den af to spejle, hvoraf det ene er gennemskinnelig - gennem det forlader laserstrålen delvist resonatoren. Ved at reflektere fra spejlene passerer strålingsstrålen gentagne gange gennem resonatoren, hvilket forårsager inducerede overgange i den. Strålingen kan enten være kontinuerlig eller pulserende. På samme tid ved hjælp af forskellige enheder (roterende prismer, Kerr-celler osv.) for hurtigt at slukke og tænde feedbacken og derved reducere pulsernes periode, er det muligt at skabe betingelser for at generere stråling med meget høj effekt (den såkaldte kæmpe pulser). Denne laserdriftstilstand kaldes den modulerede tilstand. kvalitetsfaktor.
Strålingen genereret af laseren er monokromatisk (en eller et diskret sæt bølgelængder), da sandsynligheden for emission af en foton med en bestemt bølgelængde er større end for en tæt placeret, forbundet med udvidelsen af spektrallinjen, og derfor har sandsynligheden for inducerede overgange ved denne frekvens også et maksimum. Derfor vil fotoner med en given bølgelængde gradvist under genereringsprocessen dominere over alle andre fotoner. På grund af det specielle arrangement af spejlene er det desuden kun de fotoner, der udbreder sig i en retning parallelt med resonatorens optiske akse i kort afstand fra den, der fastholdes i laserstrålen; de resterende fotoner forlader hurtigt resonatorvolumenet. Laserstrålen har således en meget lille divergensvinkel ] . Endelig har laserstrålen en strengt defineret polarisering. For at gøre dette indføres forskellige polaroider i resonatoren, for eksempel kan de tjene som flade glasplader installeret i en Brewster-vinkel i forhold til laserstrålens udbredelsesretning
§ 6 Absorption.
Spontan og stimuleret emission
Under normale forhold (i fravær af ydre påvirkninger) er de fleste elektroner i atomer på det laveste uexciterede niveau E 1, dvs. atomet har en minimumsreserve af indre energi, de resterende niveauer E 2 , E 3 ....E
n, svarende til exciterede tilstande, har en minimal population af elektroner eller er helt frie. Hvis atomet er i grundtilstand med E 1, så kan der under påvirkning af ekstern stråling ske en tvungen overgang til exciteret tilstand med E 2. Sandsynligheden for sådanne overgange er proportional med tætheden af den stråling, der forårsager disse overgange.
Et atom, der er i en exciteret tilstand 2, kan efter nogen tid spontant (uden ydre påvirkninger) gå over til en tilstand med lavere energi, hvilket afgiver overskydende energi i form af elektromagnetisk stråling, dvs. udsender en foton.
Processen med emission af en foton fra et exciteret atom uden nogen ydre påvirkning kaldes spontan (spontan) stråling. Jo større sandsynligheden for spontane overgange er, jo kortere er den gennemsnitlige levetid for et atom i en exciteret tilstand. Fordi spontane overgange er altså ikke indbyrdes forbundne spontan emission er ikke sammenhængende.
Hvis et atom i exciteret tilstand 2 udsættes for ekstern stråling med en frekvens, der opfylderhn = E 2 - E 1, så sker der en tvungen (induceret) overgang til grundtilstanden 1 med emission af en foton med samme energihn = E 2 - E 1 . Under en sådan overgang sker der stråling fra atomet derudover til den foton, under hvis indflydelse overgangen skete. Stråling som følge af ekstern eksponering kaldes tvunget. Således i behandle stimuleret emission to fotoner er involveret: en primær foton, der får det exciterede atom til at udsende stråling, og en sekundær foton, der udsendes af atomet. Sekundære fotoner udskillelige fra de primære.
Einstein og Dirac beviste identiteten af stimuleret stråling med drivende stråling: de har samme fase, frekvens, polarisering og udbredelsesretning.Þ Stimuleret emission strengt sammenhængende med tvingende stråling.
De udsendte fotoner, der bevæger sig i én retning og møder andre exciterede atomer, stimulerer yderligere inducerede overgange, og antallet af fotoner vokser som en lavine. Men sammen med stimuleret emission vil der forekomme absorption. For at forstærke den indfaldende stråling er det derfor nødvendigt, at antallet af fotoner i stimuleret emission (som er proportional med populationen af exciterede tilstande) overstiger antallet af absorberede fotoner. I systemet er atomerne i termodynamisk ligevægt, absorption vil råde over stimuleret emission, dvs. indfaldende stråling vil blive dæmpet, når den passerer gennem stof.
For at et medium kan forstærke den indfaldende stråling på det, er det nødvendigt at skabe systemets ikke-ligevægtstilstand, hvor antallet af atomer i den exciterede tilstand er større end i grundtilstanden. Sådanne tilstande kaldes stater med befolkningsinversion. Processen med at skabe en ikke-ligevægtstilstand af stof kaldes pumpet. Pumping kan udføres ved optiske, elektriske og andre metoder.
I miljøer med omvendt population kan stimuleret emission overstige absorption, dvs. indfaldende stråling vil blive forstærket, når den passerer gennem et medium (disse medier kaldes aktive). For disse medier i Bouguers lovjeg = jeg 0 e - -enx , absorptionskoefficient a - negativ.
§ 7. Lasere - optiske kvantegeneratorer
I begyndelsen af 60'erne blev en kvantegenerator af det optiske område skabt - en laser " Lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling ” - forstærkning af lys ved stimuleret emission af stråling. Egenskaber ved laserstråling: høj monokromaticitet (ekstremt høj lysfrekvens), skarp rumlig retning, enorm spektral lysstyrke.
Ifølge kvantemekanikkens love er energien af en elektron i et atom ikke vilkårlig: den kan kun have en bestemt (diskret) række af værdier E 1, E 2, E 3 ... E n, hedder energiniveauer. Disse værdier er forskellige for forskellige atomer. Sættet af tilladte energiværdier kaldes energispektrum atom. Under normale forhold (i fravær af ydre påvirkninger) er de fleste elektroner i atomer på det laveste exciterede niveau E 1, dvs. atomet har en minimumsreserve af indre energi; andre niveauer E 2, E 3 .....E n svarer til en højere energi af atomet og kaldes begejstret.
Når en elektron bevæger sig fra et energiniveau til et andet, kan atomet udsende eller absorbere elektromagnetiske bølger, hvis frekvens n m n = (E m - E n) h,
hvor h - Plancks konstant ( h = 6,62 · 10-34 Js);
E n - endelig, E m - Første niveau.
Et exciteret atom kan opgive noget af dets overskydende energi, modtaget fra en ekstern kilde eller erhvervet som et resultat af elektronernes termiske bevægelse, på to forskellige måder.
Enhver exciteret tilstand af et atom er ustabil, og der er altid mulighed for dets spontane overgang til en lavere energitilstand med udsendelse af et kvantetal af elektromagnetisk stråling. Denne overgang kaldes spontan(spontan). Det er uregelmæssigt og kaotisk. Alle konventionelle kilder producerer lys ved spontan emission.
Dette er den første emissionsmekanisme (elektromagnetisk stråling). I den betragtede to-niveau ordning emission af lys, kan der ikke opnås nogen forstærkning af stråling. Absorberet energi h n frigivet som et kvante med samme energi h n og vi kan tale om termodynamisk ligevægt: excitationsprocesserne af atomer i en gas balanceres altid af de omvendte emissionsprocesser.
§2 Ordning i tre niveauer
I atomer af et stof i termodynamisk ligevægt indeholder hvert efterfølgende exciterede niveau færre elektroner end det foregående. Hvis systemet udsættes for spændende stråling med en frekvens, der resonerer med overgangen mellem niveau 1 og 3 (skematisk 1→ 3), så vil atomerne absorbere denne stråling og bevæge sig fra niveau 1 til niveau 3. Hvis intensiteten af strålingen er høj nok, så kan antallet af atomer, der bevæger sig til niveau 3 være meget signifikant, og vi, ved at forstyrre ligevægtsfordelingen af populationerne af niveauer, vil øge befolkningen på niveau 3 og derfor reducere befolkningen på niveau 1.
Fra det øverste tredje niveau er 3 overgange mulige→ 1 og 3 → 2. Det viste sig, at overgang 3→ 1 fører til emission af energi E 3 - E 1 = h n 3-1, og overgang 3 → 2 er ikke stråling: det fører til populationen "ovenfra" af mellemniveau 2 (en del af elektronenergien under denne overgang gives til stoffet, opvarmer det). Dette andet niveau kaldes metastabil, og det vil i sidste ende have flere atomer på sig end på det første. Da atomer går ind i niveau 2 fra hovedniveau 1 gennem den øvre tilstand 3 og vender tilbage til hovedniveauet med en "stor forsinkelse", er niveau 1 "udtømt".
Som følge heraf opstår der inversion, de der. invers omvendt fordeling af niveaupopulationer. Befolkningens inversion af energiniveauer er skabt af intens hjælpestråling kaldet pumpe stråling og i sidste ende fører til induceret(tvungen) fotonmultiplikation i et omvendt medium.
Som i enhver generator er det nødvendigt i en laser for at opnå lasertilstanden Feedback. I en laser realiseres feedback ved hjælp af spejle. Det forstærkende (aktive) medium er placeret mellem to spejle - flade eller, oftere, konkave. Det ene spejl er lavet solidt, det andet delvist gennemsigtigt.
"Kødet" til genereringsprocessen er den spontane emission af en foton. Som et resultat af denne fotons bevægelse i mediet genererer den en lavine af fotoner, der flyver i samme retning. Efter at have nået det gennemskinnelige spejl, vil lavinen blive delvist reflekteret og delvist passere gennem spejlet til ydersiden. Efter refleksion fra højre spejl går bølgen tilbage og fortsætter med at intensivere. Efter at have gået distancenl, når det venstre spejl, reflekteres og skynder sig igen til højre spejl.
Sådanne forhold skabes kun for aksiale bølger. Kvanter af andre retninger er ikke i stand til at fjerne en mærkbar del af energien, der er lagret i det aktive medium.
Bølgen, der kommer ud fra laseren, har en næsten flad front og en høj grad af rumlig og tidsmæssig sammenhæng over hele tværsnittet af strålen.
I lasere bruges forskellige gasser og gasblandinger som aktive medier ( gaslasere), krystaller og glas med urenheder af visse ioner ( solid state lasere), halvledere ( halvlederlasere).
Excitationsmetoderne (i pumpesystemet) afhænger af typen af aktivt medium. Dette er enten en metode til at overføre excitationsenergi som følge af kollisioner af partikler i et gasudladningsplasma (gaslasere), eller overføre energi ved at bestråle aktive centre med usammenhængende lys fra specielle kilder (optisk pumpning i faststoflasere), eller injektion af ikke-ligevægtsbærere gennem p- n - overgang, enten excitation med en elektronstråle eller optisk pumpning (halvlederlasere).
I øjeblikket er der skabt et ekstremt stort antal forskellige lasere, der producerer stråling i en bred vifte af bølgelængder (200¸ 2·104 nm). Lasere fungerer med meget korte lyspulsvarigheder t" 1·10 -12 s, kan også producere kontinuerlig stråling. Energifluxtætheden af laserstråling er i størrelsesordenen 10 10 W/cm 2 (Solens intensitet er kun 7·10 3 W/cm 2).
Overgangen af et exciteret system (atom, molekyle) fra øvre energiniveauer til lavere kan forekomme enten spontant eller induceret.
Spontan er en spontan (uafhængig) overgang, der kun forårsages af faktorer, der virker inden for systemet og er karakteristiske for det. Disse faktorer bestemmer den gennemsnitlige tid, systemet forbliver i den exciterede tilstand; ifølge Heisenberg-forholdet (se § 11),
Teoretisk set kan denne tid have forskellige værdier inden for:
dvs. det afhænger af systemets egenskaber - spredningen af energiværdier for den exciterede tilstand (gennemsnitsværdien af den tid, der bruges i exciterede tilstande, tages normalt som en karakteristik af systemet, afhængigt af gennemsnitsværdien. En bør også tage højde for virkningen på systemet af det omgivende rum ("fysisk vakuum"), hvor selv i fravær af elektromagnetiske bølger, er der ifølge kvanteteorien et fluktuerende felt ("vakuumfluktuationer"); felt kan stimulere overgangen af et vækket system til lavere niveauer og bør inkluderes blandt de irreducerbare faktorer, der forårsager spontane overgange.
Induceret er en tvungen (stimuleret) overgang til en energimæssigt lavere tilstand forårsaget af en ekstern påvirkning på det exciterede system: termiske kollisioner, interaktion med nabopartikler eller en elektromagnetisk bølge, der passerer gennem systemet. Der er imidlertid etableret en snævrere definition i litteraturen: induceret er en overgang, der kun er forårsaget af en elektromagnetisk bølge, og af samme frekvens, som udsendes af systemet under denne overgang (felter med andre frekvenser vil ikke give genlyd med de naturlige svingninger af systemet,
derfor vil deres stimulerende effekt være svag). Da "bæreren" af det elektromagnetiske felt er en foton, følger det af denne definition, at under induceret stråling stimulerer en ekstern foton fødslen af en ny foton med samme frekvens (energi).
Lad os overveje de vigtigste træk ved spontane og inducerede overgange ved hjælp af et simpelt idealiseret eksempel. Lad os antage, at der i et volumen V med spejlvægge er identiske systemer (atomer, molekyler), hvoraf nogle af dem på et indledende fast tidspunkt overføres til en exciteret tilstand med den energi, den samlede overskydende energi i dette rumfang vil være lig med. For spontane overgange er følgende karakteristisk:
1) processen med overgang af exciterede systemer til normale tilstande (dvs. strålingen af overskydende energi forlænges over tid. Nogle systemer forbliver i en exciteret tilstand i kort tid; for andre er denne tid længere. Derfor er fluxen ( effekt) af stråling vil ændre sig over tid, når et maksimum på et tidspunkt og vil derefter asymptotisk falde til nul. Gennemsnitsværdien af strålingsfluxen vil være lig med
2) det tidspunkt i tiden, hvor strålingen af det ene system begynder, og placeringen af dette system er fuldstændig uafhængig af strålingsmomentet og placeringen af det andet, dvs. der er ingen "konsistens" (korrelation) mellem de emitterende systemer enten i rummet eller i tiden. Spontane overgange er helt tilfældige processer, spredt i tid, i hele mediets volumen og i alle mulige retninger; Polariseringsplanerne og elektromagnetisk stråling fra forskellige systemer har en sandsynlighedsspredning, så emitterne i sig selv er ikke kilder til sammenhængende bølger.
For at karakterisere de inducerede overgange, lad os antage, at der på tidspunktet for tiden introduceres en foton med en energi, der nøjagtigt svarer til det pågældende rumfang V. Der er en vis sandsynlighed for, at denne foton vil blive absorberet af den under en af kollisionerne med uophidset system; denne sandsynlighed vil blive taget i betragtning nedenfor i et mere generelt tilfælde (når vekselvirkningen mellem de pågældende systemer og en fotongas sker i volumen V). Vi vil antage, at fotonen ikke absorberes, gentagne gange reflekteres fra karrets vægge og, når den kolliderer med exciterede systemer, stimulerer emissionen af de samme fotoner, dvs. forårsager inducerede overgange. Imidlertid vil hver ny foton, der dukker op under disse overgange, også excitere inducerede overgange. Da fotonernes hastigheder er høje, og dimensionerne af volumenet V er små, vil det tage meget kort tid, før alle exciterede systemer, der er til stede i det indledende tidspunkt, tvinges til at gå over i normaltilstanden. Følgende er derfor karakteristisk for inducerede overgange:
1) den tid, der kræves til at udsende overskydende energi, kan justeres og gøres meget lille, så strålingsfluxen kan være meget stor;
2) desuden er den foton, der forårsagede overgangen, og den foton med samme energi (frekvens), der optrådte under denne overgang, i samme fase, har samme polarisering og bevægelsesretning. Derfor er de elektromagnetiske bølger produceret af stimuleret emission sammenhængende.
Imidlertid fører ikke enhver kollision af en foton med et exciteret system til dens overgang til den normale tilstand, det vil sige, at sandsynligheden for en induceret overgang i hver "interaktionshandling" af en foton med systemet ikke er lig med én. Lad os betegne denne sandsynlighed ved Lad os antage, at der på et givet tidspunkt er fotoner i volumen V, og hver af dem i gennemsnit kan have kollisioner pr. tidsenhed. Så vil antallet af inducerede overgange pr. tidsenhed, og derfor antallet af fotoner, der optræder i volumen V, være lig med
Lad os betegne antallet af exciterede systemer i volumen V med antallet af kollisioner af fotoner med exciterede systemer vil være proportional med koncentrationen af sådanne systemer, det vil sige, at det kan udtrykkes afhængigt af:
hvor Shind tager højde for alle andre faktorer undtagen antallet af fotoner og antallet af exciterede systemer
En stigning i antallet af fotoner i volumen V vil også forekomme på grund af spontan emission. Sandsynligheden for en spontan overgang er den reciproke af den gennemsnitlige tid brugt i den exciterede tilstand. Derfor vil antallet af fotoner, der optræder pr. tidsenhed på grund af spontane overgange, være lig med
Et fald i antallet af fotoner i volumen V vil forekomme som et resultat af deres absorption af uexciterede systemer (i dette tilfælde vil antallet af exciterede systemer stige). Da ikke enhver "interaktionshandling" af en foton med et system er ledsaget af absorption, bør sandsynligheden for absorption indføres Antallet af kollisioner pr. tidsenhed af en foton med uexciterede systemer vil være proportional med antallet af sådanne systemer; derfor, analogt med (2.83), for tab af fotoner kan vi skrive:
Lad os finde forskellen mellem intensiteterne af processerne for emission og absorption af fotoner, dvs. processerne for overgang af systemer fra højere niveauer til lavere og omvendt:
Afhængigt af værdien kan følgende ændringer forekomme i den mængde, der overvejes;
1) hvis der så i dette volumen vil være et gradvist fald i fotongassens tæthed, dvs. absorption af strålingsenergi. En nødvendig betingelse for dette er en lav koncentration af exciterede systemer: Lvozb
2) hvis der så etableres en ligevægtstilstand i systemet ved en vis vis koncentration af exciterede systemer og strålingsenergitæthed;
3) hvis (hvilket er muligt for store værdier), så vil der i det betragtede volumen være en stigning i fotongassens tæthed (strålingsenergi).
Det er indlysende, at et fald eller en stigning i strålingsenergi ikke kun vil finde sted i et isoleret volumen med reflekterende vægge, men også i det tilfælde, hvor en strøm af monokromatisk strålingsenergi (en strøm af fotoner med en frekvens udbreder sig i et medium indeholdende exciteret partikler med overskydende energi
Lad os finde den relative ændring i antallet af fotoner pr. foton og pr. system; ved at bruge (2,86), (2,83), (2,84) og (2,85), opnår vi
Bemærk, at i ligevægtstilstanden (som kun er mulig ved en positiv temperatur ifølge formel (2.42) givet i § 12, er forholdet lig med
Den statistiske sum i nævneren består i dette tilfælde kun af to led, svarende til: 1) systemer i normale tilstande med energi og 2) exciterede systemer med energi. Af denne formel følger det, at ved en uendelig stor positiv temperatur. Det betyder, at ved at øge temperaturen er det umuligt at opnå en tilstand, hvor antallet af exciterede systemer ville være større end antallet af uexciterede. var større end Mneexc, dvs. det er nødvendigt, at antallet af fotoner, der optræder under overgange til lavere niveauer, skal være større end antallet af fotoner absorberet i løbet af samme tid). Det blev anført ovenfor, at en sådan tilstand ikke kan opnås ved at øge temperaturen. Derfor er det nødvendigt at bruge andre (ikke-temperatur) metoder til excitation af atomer og molekyler for at opnå et medium, der er i stand til at øge den strålingsflux, der passerer gennem det.
Det kan påvises, at der kun kan være mere (dvs. N) ved en negativ temperatur, dvs. i en ikke-ligevægtstilstand af det betragtede medium. Hvis denne ikke-ligevægtstilstand derudover er metastabil (se del II, § 3), så er det ved hjælp af en passende ydre påvirkning muligt at forårsage en brat overgang til en ligevægtstilstand ved at frigive overskydende energi på meget kort tid. Denne idé ligger til grund for driften af lasere.
Mediets tilstand, hvor de øvre energiniveauer har større fyldningsfaktorer sammenlignet med de lavere, kaldes inversion. Da mediet i denne tilstand ikke svækkes som sædvanligt, men forstærker strålingen, der passerer gennem det, så i formlen til ændring af intensiteten af strålingsfluxen i mediet
koefficienten vil være en negativ værdi (derfor vil eksponenten være en positiv værdi). I lyset af dette kaldes et medium i en inversionstilstand et medium med et negativt absorptionsindeks. Muligheden for at opnå sådanne medier, deres egenskaber og anvendelse til forstærkning af optisk stråling blev etableret og udviklet af V. A. Fabrikant og hans kolleger (1939-1951).