Language
Country/Area
No result found
Почему спонтанное и вынужденное излучение так важны в лазерах?
Развитие лазерных технологий обусловлено более глубоким пониманием взаимодействия света и материи. В этом процессе решающее значение имеет тонкое различие между спонтанным и стимулированным излучением. Эти явления не только являются основным механизмом генерации лазерного излучения, но и показывают, как квантовая механика влияет на все аспекты современной техники.
Спонтанное излучение и вынужденное излучение
Спонтанное излучение — это свет, испускаемый атомом или молекулой, когда он самопроизвольно возвращается из возбужденного состояния в основное состояние. Этот процесс случаен и не имеет ничего общего с окружающей световой средой. Отличительной чертой спонтанного излучения является его беспорядок, то есть каждый испущенный фотон может иметь различную фазу и направление. Напротив, стимулированное излучение представляет собой более организованный процесс излучения. Когда возбужденный атом сталкивается с существующим фотоном, он поглощает энергию фотона, заставляя электрон вернуться в основное состояние и одновременно испустить еще один фотон. Результатом этого процесса является то, что оба фотона имеют одинаковую фазу и направление.
Необходимость изменения численности населенияНаличие стимулирующего излучения позволяет «усилить» фотоны, тем самым увеличивая интенсивность лазерного луча.
Ключом к работе лазера является достижение инверсии населенности (инверсии заселенности), при которой число атомов в состоянии с более высокой энергией превышает число атомов в состоянии с более низкой энергией. Только при N2/N1 > 1 процесс стимулированного излучения может превзойти спонтанное излучение, что позволит лазерной системе работать устойчиво. При нормальном тепловом равновесии число атомов на низкоэнергетическом уровне является доминирующим, а инверсия населенностей требует определенного внешнего возбуждения.
В системе, достигающей теплового равновесия, инверсия населенностей никогда не может быть достигнута, что показывает особенность процесса генерации лазера.
Взаимодействие света и материи
Взаимодействие света с веществом в основном включает три формы: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение. Поглощение происходит, когда свет попадает на атом в низкоэнергетическом состоянии, заставляя его электроны переходить в возбужденное состояние. Эффективность этого процесса зависит от интенсивности света и количества атомов в низкоэнергетическом состоянии. По мере увеличения числа атомов больше фотонов могут быть поглощены и вызвать возбуждение.
Стимулирующее излучение является сутью лазерного света, поскольку оно обеспечивает возможность усиления фотонов до уровня, превышающего уровень поглощения.
Как добиться изменения численности населения
Существует несколько способов достижения инверсии населенностей, в основном с использованием методов оптической накачки. Для трехуровневых лазеров обычно необходимо возбудить атомы из основного состояния (или состояния с низкой энергией) в состояние с высокой энергией, а затем быстро вернуться в более низкое возбужденное состояние, чтобы можно было перевести большее количество атомов в возбужденное состояние. накоплено. Для четырехуровневых лазеров этот процесс более эффективен, поскольку состояние высокой энергии может быстро вернуться назад и не требует слишком долгого ожидания в возбужденном состоянии. Заключение
Взаимодействие между спонтанным и стимулированным излучением имеет решающее значение для работы лазеров. Они не только отражают основные принципы квантовой механики, но и демонстрируют тонкую связь между светом и материей. Для будущего технологического развития понимание этих базовых концепций будет и дальше способствовать научному прогрессу и инновациям. Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как эти физические явления можно применить в других областях и изменить нашу повседневную жизнь?
