ь 1 і, якщо перехід 2 В® 1 випромінювальний, то з'явиться спонтанне випромінювання. Якщо на рівні 2 знаходиться N 2 атомів, то повне число переходів в секунду з рівня 2 на рівень 1 буде N 2 A 21 , де A 21 - ймовірність переходу з рівня 2 на рівень 1.
Зауважимо, що це випромінювання некогерентно: фази електромагнітних коливань, випроменених різними атомами, не пов'язані між собою.
2. Тепер уявімо собі, що на нашу атомну систему падає ззовні випромінювання з щільністю r v і частотою, що задовольняє співвідношенню
hn = E 2 - E 1 .
У цьому випадку, крім спонтанних переходів, з'являються, ще й змушені (Індуковані) переходи з рівня 2 на рівень 1 і повна ймовірність того, що атомна система перейде з рівня 2 на рівень 1 (за одиницю часу), буде
r 21 = A 21 + r v B 21 , (6.2)
де B 21 - ймовірність індукованого переходу.
Зауважимо, що вимушене випромінювання вже не є хаотичним, його фаза буде збігатися з фазою зовнішнього випромінювання. Збігаються також і інші характеристики: хвильові вектори, поляризації і частоти.
потрапляв в речовину зовнішнє випромінювання викликає також і переходи з рівня 1 на рівень 2 з ймовірністю r 12 = r v B 12 . Між величинами А і В (їх називають коефіцієнтами Ейнштейна) існує зв'язок
g 1 B 12 = G 2 B 21 ,
(6.3)
Зовнішнє випромінювання, потрапляючи в речовину, буде поглинатися, і порушувати термодинамічна рівновагу атомної системи. Розглянемо взаємодію такого ансамблю атомів з випромінюванням на частоті n. Число переходів в секунду з рівня 2 на рівень 1 буде (A 21 + r v B 21 ) N 2 , а число переходів з рівня 1 на рівень 2 r v B 12 N 1 .
Втрати падаючого пучка електромагнітного випромінювання будуть складати: (N 1 - N 2 ) r v B 12 (6.4) квантів в секунду, і при N 1 - N 2 <0 випромінювання при проходженні через речовину буде послаблюватися. Іспущенние A 21 N 2 квантів в секунду дадуть розсіяне (по спрямуванням) випромінювання і тому у формулі (6.4) не фігурують. Інтенсивність випромінювання буде спадати всередині речовини за законом:
, (6.5)
де J O - інтенсивність на вході в речовину,
K n - коефіцієнт поглинання на частоті n.
У газовому розряді збуджується лінійчатий спектр, і поглинання відбувається лише в межах ширини спектральних ліній. Контур їх найчастіше визначається доплеровским уширением.
Типова залежність K n від частоти показана на рис. 6.2. існує зв'язок між площею під кривою K n (n) і різницею заселеність рівнів [см. 4]:
, (6.6)
де - інтегральне (по частотах) поперечним перетин поглинання одного атома.
В
Таким чином видно, що інтегральний коефіцієнт поглинання атомної системи буде позитивним при N 2 1 , що зазвичай має місце, так як населеність верхніх рівнів атомної системи (якщо не брати спеціальних заходів), завжди менше населеності основного рівня.
Уявімо собі, що знайшли спосіб зробити так, що населеність верхнього рівня стала більше населеності нижнього рівня. У цьому випадку коефіцієнт поглинання буде негативним і атомна система зінверсної населеністю посилюватиме падаюче в неї випромінювання за законом
, де a =-К n > 0.
Якщо замкнути такий підсилювач ланцюгом зворотного зв'язку, то можна отримати оптичний генератор.
3. Розглянемо тепер, яким чином створюється інверсія населеності в газовому Ні-Ne лазері. Конструктивно Ні-Nе лазер являє собою скляну трубку, наповнену сумішшю гелію і неону і вміщену в оптичний резонатор. За допомогою високовольтного джерела живлення в трубці створюється розряд постійного струму і цим збуджуються атоми обох газів.
Стани Нє, відповідні рівням 2 1 S O і 2 3 S 1 (Див. рис. 6.3), є метастабільними - переходи з цих рівнів в основний, збудженомустан заборонені в дипольному наближенні, а інших рівнів, лежать між основним станом і 2 1 S O і 2 3 S 1 немає.
Практично це виражається в тому, що час життя цих рівнів в 10 4 -10 5 разів більше часу життя інших рівнів, з яких наявні дозволені дипольні переходи. Тому в результаті переходів з верхнього рівня їй атоми скупчуються в цих станах.
В енергетичному спектрі Ne стану 2S (символіка Пашена) і 3S (точніше, чотири стан...
