Інверсія електронних населення definition of інверсія електронних населення and synonyms of

Попередня ◈ Наступна

Arabic Bulgarian Chinese Croatian Czech Danish Dutch English Estonian Finnish French German Greek Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Italian Japanese Korean Latvian Lithuanian Malagasy Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swedish Thai Turkish Vietnamese

definition - інверсія ЕЛЕКТРОННИХ населення

Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії

Інверсія електронних населенностей - одне з фундаментальних понять фізики і статистичної механіки. що використовується для опису принципів функціонування лазерів.

РозподілБольцмана і термодинамічна рівновага

Щоб зрозуміти концепцію інверсії населенностей, необхідно спочатку пояснити деякі моменти термодинаміки і закони взаємодії світла з речовиною. Для прикладу уявімо, що робоче тіло лазера складається з декількох атомів. кожен з яких може перебувати в одному з двох енергетичних станів:

Кількість атомів, що знаходяться в основному стані, приймемо рівним N1. а кількість збуджених атомів - N2.

Таким чином, загальне число атомів буде

Різниця між енергетичними рівнями ΔE = E2 -E1

визначає характерну частоту ν21 світла, який взаємодіє з атомами. Знайти її можна з наступного виразу:

Якщо група атомів знаходиться в термодинамічній рівновазі, то число атомів, що знаходяться в кожному стані, можна знайти за допомогою розподілу Больцмана:

Таким чином, ми можемо розрахувати населеність кожного енергетичного рівня для кімнатної температури (T ≈300K) для енергії ΔE. відповідної видимого світла (ν≈5 х 10 14 Гц).

Так як E2 - E1 >> kT. отже показник ступеня у вищенаведеному виразі представляє собою велике негативне число, т. е. N2 / N1 вкрай мало, а число збуджених атомів практично дорівнює нулю.

Таким чином, в разі термодинамічної рівноваги, стан з низькою енергією набагато популярніша збудженого стану, і це є нормальним станом системи. Якщо вдасться якимось способом звернути ситуацію, т. Е. Зробити N2 / N1> 1, то тоді можна буде сказати, що система перейшла в стан з інверсією електронних населенностей.

Аналіз цих тверджень показує, що в разі термодинамічної рівноваги, згідно з розподілом Больцмана, для будь-яких позитивних значень ΔE і температури, N1 завжди буде значно перевищувати N2. Звідси випливає, що для отримання інверсії населенностей, система не може перебувати в термодинамічній рівновазі.

Взаємодія світла і речовини

У природі існує три механізми взаємодії світла з речовиною, які представляють інтерес в даному випадку:

Якщо світло (фотони з частотою ν21) проходить через групу атомів, існує ймовірність, що світло буде поглинений атомом, що знаходяться в основному стані, що викличе його перехід до порушеної стану. Імовірність поглинання пропорційна інтенсивності світла, а також кількості атомів N1. знаходяться в основному стані.

спонтанне випромінювання

Якщо атом перебуває в збудженому стані, він може мимоволі перейти в основний стан з ймовірністю, пропорційною кількості збуджених атомів N2. Різниця в енергії між цими станами ΔE при цьому випромінюючи атомом у вигляді фотона частоти ν21. яку можна знайти з виразу, наведеного вище.

При цьому процесі фотони випромінюються неупорядоченно (стохастически), т. Е. Фази хвиль таких фотонів не збігаються. Іншими словами, спонтанне випромінювання некогерентно. У разі відсутності інших механізмів, кількість збуджених атомів в момент часу t можна знайти як

де N2 (0) - кількість збуджених атомів в момент часу t = 0, τ21 - передбачуваний час до переходу між двома станами.

Якщо атом вже знаходиться в збудженому стані, перехід до основного стану може відбутися примусово, якщо поруч пройде фотон частоти ν21. відповідної енергії ΔE. При цьому атом випроменить другий фотон частоти ν21. Так як перший фотон при цьому не поглотился, на виході ми будемо мати вже два фотона однаковою частоти. Такий процес називається вимушеним випромінюванням. Кількість примусово випромінюючи атомів пропорційно числу атомів у збудженому стані N2. а також інтенсивності зовнішнього випромінювання.

Ключовим моментом процесу вимушеного випромінювання є те, що другий фотон має ту ж частоту і фазу, що і перший. Іншими словами, обидва фотона когерентні. Ця властивість робить можливим процес оптичного посилення, а, отже, і створення лазерів.

В процесі роботи лазера мають місце всі три описаних вище механізму взаємодії світла з речовиною. У початковий момент атоми переходять в збуджений стан за допомогою процесу накачування. який описаний нижче. Деякі з цих атомів спонтанно ізлучат некогерентні фотони частоти ν. Ці фотони повертаються в робоче тіло лазера за допомогою оптичного резонатора. елемента конструкції лазера. Частина цих фотонів поглине атомами, що знаходяться в основному стані, і вони будуть втрачені для процесу роботи лазера. Інша ж частина викличе вимушене випромінювання збуджених атомів, створюючи когерентні фотони. В результаті ми отримаємо оптичне посилення.

Якщо кількість фотонів, що беруть участь в посиленні за одиницю часу більше числа фотонів, поглинутих атомами, загальна кількість фотонів почне збільшуватися, і можна буде сказати, що коефіцієнт посилення робочого тіла став більше одиниці.

Якщо використовувати наведені вище співвідношення для процесів абсорбції і вимушеного випромінювання, інтенсивність кожного процесу пропорційна кількості атомів в основному і збудженому стані N1 і N2. У разі, якщо кількість атомів в основному стані набагато більше, ніж в збудженому (N1> N2), процес абсорбції буде домінувати і всі фотони поглинуться. У разі рівності цих величин (N1 = N2), кількість фактів поглинання буде відповідати кількості фактів вимушеного випромінювання, а робоче тіло буде оптично прозорим. Якщо ж кількість збуджених атомів переважатиме (N1

Створення інверсії населенностей

Як зазначено вище, для роботи лазера необхідна інверсія населенностей, однак отримати її для групи атомів, що знаходяться в термодинамічній рівновазі, неможливо. Фактично, прямий перехід атомів в збуджений стан буде завжди компенсуватися процесами спонтанного і вимушеного випромінювань. Найкраще, що може бути досягнуто в такій ситуації - оптична прозорість в разі N1 = N2 = N / 2, але не посилення.

Щоб досягти нерівноважногостану, необхідно використовувати непрямі методи перекладу атомів в збуджений стан. Щоб зрозуміти, як це працює, ми будемо використовувати більш реалістичну модель, відому як трирівневий лазер. Візьмемо ще раз групу з N атомів, але тепер кожен з них може перебувати в трьох різних енергетичних станах, на рівнях 1, 2 і 3 з енергіями E1, E2 і E3. в кількості N1. N2 і N3. відповідно. При цьому діаграма енергетичних рівнів буде виглядати наступним чином:

На цій діаграмі E1

На самому початку система атомів знаходиться в термодинамічній рівновазі, і більшість атомів знаходиться в основному стані, т. Е. N1 ≈ N. N2 ≈ N3 ≈ 0. Якщо тепер висвітлити атоми світлом частоти ν31. де E3 -E1 = h ν31 (h - Постійна Планка), завдяки поглинанню, почнеться процес переходу атомів в збуджений стан на рівень 3. Такий процес називається накачуванням. і не завжди він викликається світлом. Для цієї мети також застосовуються електричні розряди або хімічні реакції. Рівень 3 також іноді називають рівнем накачування або смугою накачування. а енергетичний перехід E1 → E3 - переходом накачування. який показаний буквою P на діаграмі.

Якщо ми будемо продовжувати накачування атомів, ми порушимо до рівня 3 достатню їх кількість, т. Е. N3> 0. Далі нам необхідно, щоб атоми швидко перейшли на рівень 2. Звільнена при цьому енергія може випромінюючи у вигляді фотона механізмом спонтанного випромінювання, але на практиці робоче тіло лазера вибирають так, щоб перехід 3 → 2, позначений на діаграмі буквою R. проходив без випромінювання, а енергії витрачалася на нагрів робочого тіла.

Атом на рівні 2 може перейти на основний рівень, спонтанно випромінюючи фотон частоти ν21 (яку можна знайти з виразу E2 -E1 = h ν21). Цей процес показаний на діаграмі буквою L. Час до цього переходу τ21 значно перевищує час невипромінюючі переходу 3 → 2 - τ32 (τ21 >> τ32). За такої умови, кількість атомів на рівні 3 буде приблизно дорівнює нулю (N3 ≈ 0), а кількість атомів на рівні 2 - більше нуля (N2> 0). Якщо на цьому рівні вдасться утримати більше половини атомів, між рівнями 1 і 2 буде досягнута інверсія населенностей. а на частоті ν21 почнеться оптичне посилення.

У такій системі при накачуванні P атоми переходять з основного стану (рівень 1) на рівень накачування 4. З рівня 4 атоми за допомогою швидкого невипромінюючі переходу Ra - на рівень 3. Так як час до переходу L набагато перевищує час до переходу Ra. на рівні 3 скупчуються атоми, які потім за допомогою спонтанного або вимушеного випромінювання переходять на рівень 2. З цього рівня швидким переходом Rb атом може повернутися в основний стан.

Як і в попередньому випадку, наявність швидкого переходу Ra призводить до того, що N4 ≈ 0. В четирёхуровневом лазері, завдяки наявності другого швидкого переходу Rb. кількість атомів на рівні 2 також прагне до нуля (N2 ≈ 0). Це важливо, тому що основна кількість атомів накопичується на рівні 3, який утворює інверсію населенностей з рівнем 2 (N3> 0, звідки N3> N2).

Отримане оптичне посилення (і, відповідно, робота лазера) відбувається на частоті ν32 (E3 -E2 = h ν32)

Так як для освіти інверсії населенностей в четирёхуровневом лазері досить невеликого числа атомів, такі лазери більш практичні. Це пояснюється тим, що основне число атомів продовжує залишатися на рівні 1, а інверсія населенностей утворюється між рівнями 3 (де знаходиться певна кількість збуджених атомів) і рівнем 2, де атомів практично немає, тому що вони швидко потрапляють на рівень 1.

Насправді можна зробити лазери з кількістю енергетичних рівнів, великим чотирьох. Наприклад, у лазера може бути кілька рівнів накачування, або вони можуть утворювати суцільну смугу, дозволяючи лазеру працювати в широкому діапазоні довжин хвиль.

Слід зауважити, що енергія переходу оптичного накачування в трьох- і четирёхуровневих лазерах перевищує енергію переходу випромінювання. Звідси випливає, що частота випромінювання накачування повинна бути більше частоти вихідного випромінювання лазера. Іншими словами, довжина хвилі випромінювання накачування коротше довжини хвилі лазера. При цьому для деяких робочих тел можливий процес, коли накачування відбувається поетапно, через кілька рівнів. Такі лазери називаються up-conversion lasers (лазер з кооперативним ефектом).

Незважаючи на те, що в більшості лазерів процес випромінювання викликається переходом атомів між різними електронними енергетичними рівнями, описаними вище, це може бути не єдиним механізмом роботи лазера. Багато широко використовуються лазери (наприклад, лазери на барвниках. Лазери на вуглекислому газі), в яких робоче тіло складається з молекул, енергетичні рівні можуть відповідати режимам коливань цих молекул. У разі водяних мазерів. такий процес відбувається і в природі.

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна