§ 33. Спонтанное и индуцированное излучение

Как оказалось, закономерности излучения света атомами определяются не только «самим» атомом, но и внешними условиями, которые могут повлиять на данный процесс. Какие виды излучения существуют? В чем их сходство и в чем различия? Где их можно использовать практически?

Напомним, что атом может находиться в одном из стационарных состояний, энергия которых квантована, т. е. имеет дискретный ряд значений . Соответственно, при переходах между этими состояниями атом излучает или поглощает кванты энергии электромагнитного поля. Существуют два вида переходов: спонтанные и вынужденные.
Если атом, находящийся в возбужденном состоянии на верхнем энергетическом уровне , переходит на более низкий уровень самопроизвольно без каких-либо внешних воздействий, то происходит так называемый спонтанный переход (рис. 203, а). При таком переходе излучается фотон, частота которого определяется соотношением:

.

(1)

Переход такого рода является случайным (вероятностным) процессом, происходящим в принципиально непредсказуемый момент времени. Таким переходам соответствует спонтанное излучение. Такие процессы происходят в нагретых телах и светящихся газах. При нагревании или электрическом разряде часть атомов переходит в возбужденное состояние. Затем они излучают свет, переходя в основное состояние.

Случайность спонтанных переходов в атомах и молекулах различных веществ означает то, что они происходят не одновременно и независимо друг от друга, поэтому фазы излучаемых при переходах электромагнитных волн не согласованы. Случайным является не только момент испускания фотонов, но и направление их распространения, а также направление  электрического поля и  магнитного поля в электромагнитной волне, т.е. их поляризация. Вследствие этого, спонтанное излучение вещества не направленно, не когерентно, а направления векторов  и хаотически изменяются (не поляризовано). Примером такого излучения является свет ламп накаливания.

Переход атома из одного состояния в другое может происходить также и безызлучательным  путем. В этом случае избыток энергии выделяется в какой-либо иной форме. Например, он может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул.

Атом, находящийся в возбужденном состоянии, может перейти с верхнего уровня на нижний  не только спонтанно, но и под действием электромагнитного излучения, частота которого  совпадает с частотой (1) (рис. 203, в). Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются индуцированными или вынужденными. При таком переходе излучается квант энергии , который добавляется к исходящему от внешнего источника излучению. Отличительной особенностью индуцированного излучения является тождественность излученного фотона и фотона, индуцировавшего данный переход. Оба фотона при этом имеют одинаковые частоту, фазу, направление распространения, т.е. образно говоря, «клонируют» друг друга. Именно поэтому индуцированное излучение приобретает свойство монохроматичности, когерентности, направленности.

Кроме рассмотренного индуцированного перехода «сверху вниз», могут происходить и вынужденные переходы «снизу вверх» (рис. 203, б). Если атом находится на нижнем уровне E_n, то он может перейти на верхний уровень E_m под действием внешнего электромагнитного излучения частотой (1). Атом при этом поглощает фотон, энергия которого .

Дискретность энергетического спектра характерна не только для атомов, но и для любой системы взаимодействующих микрочастиц — молекул, ионов, твердых тел.      Число атомов в единице объема вещества, находящихся на данном энергетическом уровне, называют населенностью этого уровня. В естественных условиях (в условиях теплового равновесия) в веществе число атомов N_m в возбужденном состоянии с большей энергией E_m  меньше, чем число атомов N_n в состоянии с меньшей энергией E_n, т.е. при E_m > E_n  населенность уровня E_m  меньше, чем уровня с энергией E_n (N_m < N_n)  (рис. 204, а).

Для усиления излучения необходимо искусственно изменить населенности уровней в веществе. Рассмотрим два энергетических уровня атома E_m и E_n. Если при падении на такое вещество электромагнитного излучения частотой (1) достигнуто неравновесное состояние вещества, для которого на верхнем энергетическом уровне находится большее количество атомов, чем на нижнем (N_m > N_n), то излучаться будет большее число квантов, чем поглощаться. В этом случае будет происходить усиление падающего излучения, и вещество будет действовать как усилитель.
Состояние вещества, при котором для некоторой пары уровней населенность верхнего больше, чем нижнего, получило название состояния с инверсной населенностью (рис. 204, б). Процесс создания инверсной населенности получил название накачки. Вещество, в котором осуществлена инверсия населенностей, называется активным.
Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую «обратную связь». Смысл обратной связи заключается в том, что часть усиленного излучения остается в активном веществе и подвергается повторному когерентному усилению.
Явление индуцированного излучения позволяет управлять излучением атомов, усиливать и генерировать когерентное излучение.
Основная трудность в практическом осуществлении данной идеи — создание инверсной населенности. Советскими физиками Николаем Геннадьевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым в середине 50-x гг. ХХ в. был предложен универсальный метод создания инверсной населенности посредством воздействия на молекулы внешнего электромагнитного излучения на резонансной частоте. Впоследствии он получил название метода трех уровней.

Вещество, в котором имеются метастабильные уровни, можно эффективно использовать для усиления света. Рассмотрим, как была решена эта проблема на примере трехуровневой системы. Общее число уровней в веществе всегда велико, но в нем существуют три «рабочих» энергетических уровня, которые позволяют создать инверсию населенностей. У некоторых атомов имеются долгоживущие промежуточные возбужденные состояния (их называют метастабильными), время жизни в которых может доходить до нескольких секунд, в то время как в обычных возбужденных состояниях время жизни .

В этом случае, если накачка производится на частоте перехода между нижним и верхним уровнями, то можно перевести часть атомов из основного 1 в возбужденное состояние 3 (рис. 205). За короткое время (время жизни порядка c) большая часть этих атомов самопроизвольно перейдет в метастабильное долгоживущее возбужденное состояние 2 без излучения. Избыточная энергия передается веществу, вследствие чего оно нагревается.
Населенность промежуточного (метастабильного) уровня, увеличиваясь за счет спонтанных переходов с верхнего уровня на промежуточный, может превысить населенность нижнего уровня. Пропустив излучение с частотой  через эту систему находящихся в метастабильном состоянии атомов, получаем дополнительно к исход­ным фотонам еще и индуцировано испущенные фотоны (см. рис. 205). Вследствие этого результирующий поток фотонов будет превышать исходный. Таким образом, на частоте перехода с метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 будет происходить усиление и генерация излучения.