ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ

Когда мы произносим имя одного из величайших физиков Альберта Эйнштейна, то обычно связываем его с теорией относительности. Однако вклад Эйнштейна в развитие физики не ограничивается рамками теории относительности.

Среди его работ есть, в частности, работы, которые оказались основополагающими для квантовой электроники.
Мы имеем в виду две работы Эйнштейна, опубликованные в 1916 г. Первая называется «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», а вторая-«К квантовой теории излучения». Ученый показал, что существуют два различных процесса испускания света атомами и молекулами вещества. Наряду с «обычным» процессом испускания, известным как самопроизвольное (спонтанное) испускание, должен наблюдаться, как утверждал Эйнштейн, процесс испускания, происходящий не самопроизвольно, а под воздействием излучения, уже имеющегося в окружающей
среде. Эйнштейн назвал этот второй процесс индуцированным (lt;вынужденным) испусканием.
Прошли десятилетия, прежде чем ученые убедились, что «придуманное» Эйнштейном вынужденное испускание не только действительно существует, но, более того, при определенных условиях может играть важную роль. Именно это испускание и лежит в основе работы лазера. Само слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает «усиление света посредством вынужденного испускания».
Но будем рассматривать всё по порядку. Прежде всего напомним читателю, что энергия атома (энергия молекулы) квантуется. Иными словами, энергия атома (молекулы) не изменяется непрерывно, а принимает лишь некоторые определенные значения. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни. Так и говорят: атом или молекула находится на таком-то энергетическом уровне. Переход атома или молекулы с одного энергетического уровня на другой совершается скачком; при этом поглощается или, напротив, испускается соответствующая порция излучения - квант света, или, иными словами, фотон. При переходе атома на более высокий энергетический уровень фотон поглощается (энергия фотона идет на возбуждение атома). Если же атом переходит на более низкий уровень, происходит испускание фотона (высвобождающаяся энергия возбуждения атома идет на рождение фотона). Представим себе целый набор энергетических уровней данного атома. Возможные переходы атома показаны стрелками, каждая из которых начинается на том уровне, где атом был раньше, и кончается на уровне, на котором атом оказался в результате перехода. Переходы, показанные стрелками, направленными снизу вверх, связаны с поглощением фотонов (свет поглощается атомами). Стрелки, направленные сверху вниз, обозначают переходы с рождением фотонов (свет испускается атомами). Вполне понятно, что энергия поглощенного или испущенного фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми произошел данный переход. Напомним, что энергия фотона равна hv, где v-частота света, //-постоянная Планка (И = 6,6-10~34 Дж с).

EH ZEL
Свет поглощается Свет испускается
Здесь изображена схема из трех энергетических уровней некоего атома; чем выше уровень, тем больше его энергия. Стрелками показаны квантовые переходы атома с одного уровня на другой. При переходах снизу вверх происходит поглощение фотонов, при каждом таком переходе исчезает фотон с энергией, равной разности энергий данных уровней. При переходах сверху вниз происходит рождение фотонов с соответствующей энергией
Рассмотрим простую физическую модель, где вещество представлено атомами, имеющими только два энергетических уровня. Обозначим энергию этих уровней через Ех и ?2, причем пусть Ех lt; Е2. Предположим, что на вещество падает свет, состоящий из фотонов, каждый из которых имеет энергию Е2 ~ЕХ. Нетрудно сообразить, что частота такого света равна (Е2 — Ex)l h.
Пусть какой-то из атомов находится на нижнем уровне Ех. Такой атом может поглотить фотон с энергией Е2 — Ех и совершить скачок с уровня Ех на уровень Ег. Это есть единичный акт поглощения света веществом.
Что станет с атомом, который возбудился, т. е. оказался на верхнем энергетическом уровне? Ясно, что этот атом не может поглотить фотон. Но он может под воздействием фотона возвратиться на уровень Ех. При этом родится еще один фотон, имеющий энергию Е2 — Ех. Это есть единичный акт вынужденного испускания света. Его «вынуждает» или, лучше сказать, инициирует фотон, играющий в данном случае роль своеобразного «спускового механизма», который «сталкивает» атом с верхнего энергетического уровня на нижний. Существенно, что рождающийся фотон (назовем его вторичным) будет точной копией первичного фотона, инициировавшего переход атома с уровня Е2 на уровень Ех. Оба фотона имеют одну и ту же энергию, одно и то же направление движения.

Можно представить картину, когда первичный фотон инициирует переход с уровня Е2 на уровень Ех сразу во многих возбужденных атомах. В результате появится не один вторичный фотон, а целая лавина таких фотонов. Все они будут иметь одинаковую энергию, все они будут лететь в одном направлении - в направлении движения первичного фотона. Такая фотонная лавина и образует когерентный световой пучок. Напомним, что указанный пучок должен отличаться высокой монохроматичностью и высокой направленностью. Монохроматичность лавины вынужденно испущенных фотонов обусловлена тем, что все фотоны в ней имеют одну и ту же энергию (энергию первичного фотона), а значит, и одну и ту же частоту. Высокая направленность рассматриваемой фотонной лавины обусловлена тем, что все фотоны летят в направлении, заданном первичным фотоном. Таким образом, возможность получения когерентных световых пучков заложена в самой природе вынужденного испускания света атомами и молекулами вещества.
Но вернемся к нашим двухуровневым атомам. Оказавшийся на верхнем уровне, атом может возвратиться на нижний уровень не обязательно под воздействием некоего первичного фотона. Он может возвратиться и «обычным способом», т.

е. самопроизвольно. В этом случае происходит спонтанное испускание света.
Сопоставим процессы вынужденного и спонтанного испускания света. Первый процесс является управляемым-его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атома с верхнего уровня на нижний, но и определяет направление движения родившегося при этом переходе вторичного фотона. Второй процесс имеет ярко выраженный случайный характер: случаен момент перехода, случайно направление родившегося фотона. Если при вынужденном испускании возникает лавина фотонов, дружно летящих в одном направлении, то при спонтанном испускании фотоны разлетаются кто куда, к тому же моменты их рождения случайны, не согласованы друг с другом. Как уже отмечалось, в вынужденном испускании заложена возможность получения когерентных световых пучков. Спонтанное же испускание мешает получать такие пучки.

Спонтанное испускание света

Рисунок иллюстрирует три элементарных процесса, лежащих в основе взаимодействия света с атомами и молекулами вещества: 1 — фотон поглощается, при этом атом переходит из основного состояние в возбужденное (переходит с уровня Ех на уровень Е2), 2 — фотон инициирует переход атома из возбужденного состояния в основное, происходит вынужденное испускание, в результате рождается еще один фотон, 3 — атом из возбужденного состояния самопроизвольно переходит в основное, возникает спонтанное испускание фотона. На рисунке фотоны условно изображены в виде стрелок-звездочек
Итак, взаимодействие света с атомами и молекулами вещества сводится в конечном счете к трем элементарным процессам: поглощению фотонов атомами (молекулами) и двум процессам испускания фотонов- вынужденному и спонтанному.
Теперь рассмотрим практическую ситуацию: световой пучок проходит сквозь вещество. Известно, что проходящий сквозь вещество световой пучок будет постепенно ослабляться. А нельзя ли сделать так, чтобы по мере прохождения в веществе световой пучок не ослаблялся, а, напротив, усиливался? Над этим вопросом задумался в 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант.

Предположим, что вещество, сквозь которое распространяется световой пучок, состоит (простоты ради) из двухуровневых атомов. Часть атомов находится на уровне Е2, остальные на уровне Ег. Фотоны в световом пучке имеют энергию Е2 — Е1. Ясно, что атомы на уровне Ег будут поглощать фотоны пучка и переходить на уровень Ё2\ в результате пучок должен ослабляться. Атомы же, находящиеся на уровне Е2, будут под воздействием фотонов пучка переходить на уровень Ег; при этом появятся вторичные фотоны, летящие в том же направлении, что и фотоны пучка, и, значит, пучок должен усиливаться. Какой же процесс окажется преобладающим - ослабление пучка за счет поглощения фотонов атомами вещества или усиление пучка за счет вынужденного испускаййя фотонов? Еще Эйнштейн показал, что вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на нижнем уровне, равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме на верхнем уровне. Значит, рассуждал В. А. Фабрикант, все дело в том, каких атомов больше-тех, которые находятся на уровне Ev, или же тех, которые на уровне Е2. Если атомов больше на нижнем уровне, то чаще будут происходить акты поглощения фотонов атомами-световой пучок будет ослабляться. Если же большее число атомов окажется на верхнем уровне, то чаще будут происходить акты вынужденного испускания; в этом случае вынужденное испускание света будет преобладать над поглощением света и в результате световой пучок усилится. Обычно чем выше уровень энергии, тем меньше на нем атомов. Именно поэтому световой пучок ослабляется, проходя сквозь вещество. Значит, для того, чтобы пучок усиливался, необходимо создать необычную ситуацию - сделать так, чтобы на более высоком уровне энергии оказалось больше атомов, чем на более низком уровне. Как теперь говорят, надо создать инверсную, иными словами, обращенную населенность энергетических уровней в веществе.
Итак, возможность усиления света в веществе была найдена! Надо пропускать световой пучок через среду с инверсной населенностью уровней. Для приготовления такой среды можно воспользоваться, например, вспомогательным излучением, которое перебросит значительную часть атомов с нижних уровней на верхние. Возможны, как уже отмечалось ранее, также другие
пути возбуждения атомов, например электрический разряд в газе.
Казалось, оставалось сделать совсем немного-и вот он: усилитель света. Но началась Великая Отечественная война. Научные исследования, не имевшие непосредственного отношения к обороне страны, пришлось отложить до победы над врагом. После войны В. А. Фабрикант вместе со своими сотрудниками М. М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой возобновил исследования, прерванные войной. Эти исследования проводились в Московском энергетическом институте. И вот в 1951 г. В. А. Фабрикант с сотрудниками подают заявку на изобретение способа усиления излучения с помощью вынужденного испускания. На заявку было выдано свидетельство, где в разделе «Предмет изобретения» записано:
«Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям.»
Так, благодаря исследованиям взаимодействия света с атомами вещества, показавшим принципиальную возможность усиления света при прохождении через вещество, были сделаны первые шаги на пути к лазеру. Пройдет чуть меньше десяти лет (с 1951 г. по 1960 г.), и рождение лазера состоится. О том, что происходило в это десятилетие, расскажем немного позже, а пока обратимся к физике процессов, совершающихся внутри лазера.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ:

- Популярная физика -