Вынужденное излучение¶

Вынужденное излучение — это процесс генерации квантов электромагнитного излучения (фотонов) при переходе атома, иона или молекулы из возбуждённого энергетического состояния в состояние с меньшей энергией, происходящий под воздействием внешнего (вынуждающего) фотона. В отличие от спонтанного излучения, которое происходит самопроизвольно, вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его фотоном: испущенный фотон имеет ту же частоту, фазу, направление распространения и поляризацию. Это свойство лежит в основе работы всех квантовых усилителей и генераторов — лазеров и мазеров.

¶История открытия

Теоретическое предсказание вынужденного излучения принадлежит Альберту Эйнштейну. В 1916 году он опубликовал работу, в которой, анализируя статистику взаимодействия излучения с веществом, ввёл три процесса: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное (индуцированное) излучение. Эйнштейн показал, что для описания теплового равновесия между излучением и веществом необходимо ввести коэффициент, описывающий вероятность вынужденного излучения, пропорциональный плотности энергии внешнего поля.

Экспериментальное подтверждение существования вынужденного излучения было получено лишь в 1928 году Рудольфом Ладенбургом, который наблюдал отрицательное поглощение (усиление) в газовом разряде. Однако практическое использование эффекта стало возможным только после создания теоретических основ квантовой электроники. В 1954 году Чарльз Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров независимо друг от друга создали первые квантовые генераторы на основе вынужденного излучения — мазеры (усиление микроволн). В 1960 году Теодор Майман создал первый лазер на рубине, работающий в оптическом диапазоне. За работы по созданию мазеров и лазеров Басов, Прохоров и Таунс были удостоены Нобелевской премии по физике за 1964 год.

¶Физический механизм

Механизм вынужденного излучения описывается в рамках квантовой механики. Рассмотрим двухуровневую систему с энергиями E₁ (основное состояние) и E₂ (возбуждённое состояние), причём E₂ > E₁. При взаимодействии атома в возбуждённом состоянии с фотоном, энергия которого hν = E₂ − E₁ (где h — постоянная Планка, ν — частота), атом с определённой вероятностью переходит в основное состояние, испуская второй фотон с теми же параметрами, что и у первого.

Вероятность вынужденного излучения пропорциональна спектральной плотности энергии внешнего поля. Коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Эйнштейна B₂₁, является фундаментальной характеристикой квантовой системы. Для сравнения, вероятность спонтанного излучения описывается коэффициентом A₂₁ и не зависит от внешнего поля.

Ключевым отличием вынужденного излучения от спонтанного является когерентность. Испущенный фотон неотличим от вынуждающего фотона, что приводит к усилению электромагнитной волны при прохождении через среду с инверсной населённостью.

¶Условия возникновения и инверсия населённости

Для того чтобы вынужденное излучение приводило к усилению света, необходимо, чтобы число переходов с излучением превышало число переходов с поглощением. В состоянии термодинамического равновесия населённость уровней подчиняется распределению Больцмана, и нижний уровень всегда более заселён, чем верхний. Поэтому в равновесной среде преобладает поглощение.

Для создания усиления необходимо нарушить равновесие и создать состояние с инверсией населённости, когда число частиц на верхнем уровне N₂ превышает число частиц на нижнем N₁. Это достигается с помощью накачки — внешнего воздействия, переводящего частицы в возбуждённое состояние. Методы накачки включают оптическую накачку (облучение мощным светом), электрический разряд, инжекцию носителей заряда в полупроводниках и химические реакции.

¶Роль в квантовой электронике

Вынужденное излучение является основой работы всех типов лазеров и мазеров. В резонаторе лазера фотоны многократно проходят через активную среду, каждый раз стимулируя испускание новых когерентных фотонов, что приводит к лавинообразному усилению излучения. В результате формируется узконаправленный пучок с высокой спектральной яркостью.

Свойства вынужденного излучения определяют уникальные характеристики лазерного излучения:

• высокая временная и пространственная когерентность;
• монохроматичность (узкая спектральная линия);
• малая расходимость пучка;
• возможность фокусировки излучения в пятно субмикронных размеров.

¶Применение

Явление вынужденного излучения находит применение в науке и технике. Лазеры используются в промышленности для резки, сварки и маркировки материалов; в медицине — для хирургических операций, коррекции зрения и терапии; в телекоммуникациях — для передачи информации по оптоволоконным линиям связи; в научных исследованиях — для спектроскопии, охлаждения атомов и изучения нелинейно-оптических эффектов. Мазеры применяются в качестве малошумящих усилителей в радиоастрономии и системах космической связи, а также в атомных стандартах частоты.

¶См. также

• Спонтанное излучение
• Лазер
• Квантовая электроника

¶Источники

• Эйнштейн А. К квантовой теории излучения // Собрание научных трудов. — М.: Наука, 1966. — Т. 3.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. — М.: Физматлит, 2004.
• Ярив А. Введение в оптическую электронику. — М.: Высшая школа, 1983.
• Звелто О. Принципы лазеров. — СПб.: Лань, 2008.