Language
Country/Area
No result found
Почему атомы в высокоэнергетических состояниях так редко встречаются в тепловом равновесии?
В физике важность теплового равновесия и распределения энергетических состояний для природных явлений очевидна. Когда мы обсуждаем энергетическое состояние системы (например, атома), мы часто сталкиваемся с понятием «обратного заселения». Это особенно важно в лазерной науке, поскольку для работы лазеров требуется особое распределение энергии, то есть атомов в высокоэнергетических состояниях должно быть больше, чем атомов в низкоэнергетических состояниях. Однако в случае теплового равновесия это чрезвычайно сложно.
"В состоянии теплового равновесия количество атомов высоких энергий практически незначительно."
Чтобы понять это, сначала нужно рассмотреть распределение Больцмана. Согласно статистике Больцмана, в системе, находящейся в тепловом равновесии, так называемое распределение уровней энергии определяется соотношением частиц, занимающих разные энергетические состояния. В лазерной среде, состоящей из атомов, эти атомы могут существовать в двух энергетических состояниях: основном и возбужденном. Энергия основного состояния ниже энергии возбужденного состояния, поэтому при комнатной температуре число атомов в основном состоянии обычно значительно превышает количество атомов в возбужденном состоянии согласно фактору Больцмана.
Известно, что при повышении температуры некоторые атомы набирают энергию за счет поглощения фотонов и переходят в возбужденное состояние. Но даже в этом случае, когда система достигает теплового равновесия, количество атомов в возбужденном состоянии (N2) никогда не превысит количество атомов в основном состоянии (N1). Как вы понимаете, это непростая задача — противостоять законам природы.
"Демографический разворот может быть достигнут только в неравновесном состоянии".
Принцип работы лазера основан на трех взаимодействиях света: поглощении, естественном излучении и вынужденном излучении. Когда луч света проходит через группу атомов и частота света соответствует определенной разнице энергий, атомы в основном состоянии поглощают фотоны и переходят в возбужденное состояние. Однако этот процесс также сопровождается возникновением спонтанной эмиссии и вынужденной эмиссии, что усложняет процесс фотонного обмена. Если количество атомов в основном состоянии велико, преобладает процесс поглощения, что приводит к ослаблению света, тогда как если количество атомов в возбужденном состоянии велико, произойдет усиление света и генерация лазерного света;
Вот почему в процессе внедрения лазеров часто требуются косвенные методы, такие как оптическая накачка, для достижения длительного обращения заселенности. В трехуровневых или четырехуровневых лазерах за счет избирательного возбуждения определенного энергетического уровня поддерживается лишь несколько атомов в высокоэнергетическом состоянии, тем самым достигаются преимущества лазерной системы.
"Трёхуровневые и четырёхуровневые лазеры демонстрируют разные принципы накачки и усиления, а различия в их эффективности отражают то, как достичь баланса между состояниями высокой энергии и основными состояниями."
Следует отметить, что во многих системах правила выбора ограничивают возможности передачи энергии, что необходимо учитывать при создании лазеров. Например, разные вещества могут по-разному реагировать на лазерное излучение, а некоторые переходы могут подчиняться правилам отбора, регулируемым квантовой механикой, поэтому их люминесценция может задерживаться из-за таких явлений, как фосфоресценция.
Подводя итог, можно сказать, что в состоянии теплового равновесия количество высокоэнергетических атомов является недостаточным, поскольку в этом состоянии количество атомов в основном состоянии обычно намного больше, чем количество возбужденных состояний. Чтобы нарушить этот баланс и достичь большинства высокоэнергетических состояний, необходимо использовать внешнюю энергию для управления системой, например, с помощью технологии оптической накачки. Это поднимает критический вопрос: можно ли найти эффективные способы создания и поддержания состояния инверсии населения в нашей повседневной жизни для поддержки более эффективных лазерных технологий?
