Глава 6. Физика атома и атомного ядра

Модель 6.5.  Лазер, двухуровневая модель

В квантовой системе с двумя выделенными уровнями при взаимодействии с излучением могут происходить различные процессы.

1. Поглощение кванта света. В этом случае система переходит с нижнего энергетического уровня на верхний.

2. Спонтанное излучение при самопроизвольном переходе с верхнего уровня на нижний. Спонтанное излучение различных атомов не согласовано (некогерентно) по фазам и происходит в различных направлениях.

   Частоты поглощаемых или самопроизвольно испускаемых квантов определяются разностью энергий двух уровней.
   

   hν = En – Em.

3. Вынужденное или индуцированное излучение с верхнего уровня на нижний. Этот процесс, предсказанный А. Эйнштейном (1916 г.), является физической основой работы лазера. При вынужденном излучении в результате взаимодействия атома с фотоном получаются два совершенно одинаковых (когерентных) фотона-близнеца, распространяющихся в одном и том же направлении и имеющих с точки зрения волновой теории одну и ту же частоту, фазу и поляризацию.

Все три вида процессов происходят в двухуровневой среде при прохождении через нее внешнего (резонансного) пучка света. Интенсивность такого пучка будет даже ослабевать, так как часть атомов, находящихся в верхнем энергетическом состоянии отдает свою энергию и переходит в нижнее состояние без излучения фотона (например, вследствие неупругих соударений с другими атомами). Для того, чтобы проходящий через среду пучок усиливался, нужно включить еще один процесс – накачку, т. е. принудительный переброс атомов в верхнее энергетическое состояние за счет внешних источников энергии. Существует несколько различных механизмов накачки, но все эти механизмы оказываются невозможными в двухуровневой системе. Накачка производится через третий выше расположенный энергетический уровень. Накачка должна перевести двухуровневую среду в состояние, в котором количество атомов на верхнем уровне превышает количество атомов на нижнем. Такое состояние среды называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а сама среда называется активной.

Если через среду с инверсной населенностью уровней проходит внешний пучок света, то его интенсивность растет за счет процесса индуцированного излучения. Чтобы возникла самопроизвольная генерация света (лазер), нужно активную среду поместить между двумя параллельными зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Тогда усиливающееся при каждом проходе через активную среду излучение будет многократно после отражений от зеркал проходить через среду, вызывая лавину индуцированных фотонов.

Так возникает лазерная генерация.

Компьютерная программа представляет модель различных квантовых процессов, возникающих при распространении резонансного светового пучка в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями: поглощение фотонов, спонтанное и стимулированное излучение. Программа позволяет разделить эти три вида процессов и наблюдать их по отдельности. Кроме того, программа позволяет познакомиться с процессом принудительной «накачки», когда за счет некоторого механизма происходит непрерывный переброс атомных систем из нижнего в верхнее энергетическое состояние. Накачка позволяет создать в среде инверсную населенность уровней, когда число атомов на верхнем уровне превышает число атомов на нижнем уровне. Создание среды с инверсной населенностью уровней является необходимым условием для работы лазера. В компьютерной модели механизм накачки не определен, но уровень накачки, то есть скорость переброса атомов в верхнее состояние может изменяться. Уровень накачки P выражается в некоторых условных единицах.

При одновременном действии всех механизмов, включая накачку, возникает среда, способная усиливать свет резонансной частоты – лазерный усилитель. Среднее отношение числа фотонов, поступивших на вход усилителя, к числу фотонов, появившихся на его выходе, равно энергетическому коэффициенту усиления.

Компьютерная программа позволяет смоделировать работу лазерного усилителя при различных уровнях накачки.