Language
Country/Area
No result found
очему «инверсия населенности» является волшебным ключом к лазерам?
В физике, особенно в статистической механике, инверсия населенностей — это состояние, при котором в системе в состоянии с более высокой энергией находится больше атомов или молекул, чем в состоянии с более низкой энергией. Эта концепция имеет решающее значение в лазерной науке, поскольку создание инверсии населенности является необходимым шагом для стандартной работы лазера.
Концепция инверсии населенностей подразумевает взаимодействие света и вещества, что связано с принципом работы лазеров. Без механизма, который может перевести систему в состояние инверсии населенности, лазерная генерация не может быть достигнута.
Тепловое равновесие и распределение Больцмана
Чтобы понять концепцию инверсии населенности, вам сначала нужно немного разобраться в термодинамике и в том, как свет взаимодействует с веществом. Предположим, что имеется группа из N атомов, каждый атом может существовать в двух энергетических состояниях: основном состоянии E1 и возбужденном состоянии E2. Когда эти атомы находятся в тепловом равновесии, соотношение числа атомов в основном и возбужденном состоянии определяется фактором Больцмана согласно статистике Максвелла–Больцмана.
Таким образом, когда система находится в тепловом равновесии, состояния с низкой энергией будут более заселены, чем состояния с высокой энергией, что является нормальным состоянием системы.
С увеличением T число атомов в состоянии высокой энергии (N2) увеличивается, но N2 никогда не превысит N1. Чтобы достичь инверсии населенности, систему необходимо перевести в неравновесное состояние, что является ключом к работе лазера.
Взаимодействие света и материи
Взаимодействие света с атомными системами можно разделить на три основных типа: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение.
Поглощение
Когда свет с частотой ν12 проходит через группу атомов, он может поглощаться электронами в основном состоянии, тем самым возбуждая их до состояния с высокой энергией. Скорость поглощения пропорциональна плотности излучения света и связана с числом атомов в основном состоянии (N1).
Спонтанное излучение
Атом в возбужденном состоянии самопроизвольно возвращается в основное состояние, испуская фотон. Спонтанное излучение является случайным и не имеет фиксированного фазового соотношения, поэтому его излучение некогерентно.
Вынужденное излучение
Когда падающий фотон заставляет возбужденный атом отдавать свою энергию и испускать фотон с частотой ν21, этот процесс называется вынужденным излучением. Здесь происходит следующее: фотоны взаимодействуют таким образом, что возбужденные атомы производят фотоны той же частоты и фазы, что и падающие фотоны. Это ключ к усилению лазера.
Если заселенность состояний с более высокой энергией больше, чем заселенность состояний с более низкой энергией, то есть N2>N1, то будет достигнуто суммарное усиление излучения.
Процесс создания инверсии населенности
Одним из способов достижения инверсии населенностей является использование косвенного метода, переводящего атомы из основного состояния в возбужденное состояние. Примером может служить трехуровневая лазерная система. В этой системе атомы могут существовать в трех энергетических состояниях. Если атомная энергия высокой энергии быстро распадется на промежуточный энергетический уровень, достигнув относительно низкоэнергетической популяции, это приведет к образованию комбинированного состояния.
Четырехуровневый лазер
В четырехуровневом лазере уровни энергии устанавливаются более разумно, так что атомы могут удалить большое количество заселенностей основного состояния за короткое время, тем самым достигая соответствующего эффекта усиления лазера. Это делает четырехуровневые лазеры более эффективными, чем трехуровневые, и более распространенными в практических применениях.
Развитие лазерной технологии позволило ей сыграть незаменимую роль в таких областях, как наука, медицина и связь, и все это благодаря механизму инверсии населенностей.
Как лазерные системы будут развиваться в будущем по мере развития технологий и продолжать ли они способствовать развитию человеческого общества?
