Вынужденное излучение

В условиях термодинамического равновесия заселенность нижних уровней больше, чем верхних, т.е. N1 > N2, а значит Д V(v)> 0. Однако, если создать искусственно инверсную заселенность верхних уровней так, что М2> 1, то вместо поглощения волны в такой среде будет происходить ее усиление. Среда с инверсной заселенностью энергетических уровней называется активной. Создание такой среды является первым условием работы лазера. Второе условие работы лазера связано с необходимостью обратной связи между светом и излучающими атомами. Для этого рабочее вещество помещают между двумя зеркалами так, что часть излучаемой световой энергии все время остается внутри его, вызывая вынужденное излучение все новыми и новыми атомами. Одно из зеркал выполняют полупрозрачным, и через него выходит генерируемый пучок. Наконец, третье условие работы лазера заключается в том, что усиление излучения в рабочем веществе должно быть больше некоторого порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала. [c.97]

Лазеры, вынужденное излучение и инверсия заселенности [c.141]

Световая волна со спектральной плотностью p(v) может вызвать процессы двух типов. Атомы, находящиеся на нижнем уровне с заселенностью Л 1, поглощая энергию, будут переходить на верхний уровень К 2 с заселенностью N2. Атомы, находящиеся на верхнем уровне 1 2, вследствие вынужденного излучения квантов будут переходить на уровень 1. В результате переходов первого типа световой пучок теряет в единицу времени некоторую долю фотонов, а второго типа - получает фотоны поглощенная удельная энергия в интервале частот составит [c.97]

Энергия может излучаться двумя различными путями — за счет спонтанного излучения и стимулированного (вынужденного) излучения. Вероятность того, что одиночная молекула в возбужденном состоянии начнет спонтанно излучать энергию, пропорциональна кубу разности энергий данного возбужденного и основного состояний ку. С другой стороны, вынужденное испускание вызывается излучением с резонансной частотой V. Если имеются две частицы X и , находящиеся на уровнях, энергии которых отличаются на кх, то вероятность поглощения фотона [c.346]

Работа лазеров основана на получении вынужденного излучения от возбужденной системы, а не на спонтанном излучении, которое мы рассматривали до этого. Чистое вынужденное излучение наблюдается только в системах, где заселенность возбужденного состояния больше, чем основного состояния, — ситуация, называемая инверсией заселенности (см. разд. 2.3). Наша основная цель здесь — описать способы достижения инверсии, но сначала мы должны понять основные принципы действия лазера. [c.141]

Теперь мы вернемся к рассмотрению методов, благодаря которым достигается инверсия заселенности в некоторых типах лазеров, имеющих практическое значение. В этих механизмах важную роль играют процессы внутри- и межмолекулярного переноса энергии. Тепловое возбуждение не может, по определению, привести к инверсии в равновесной системе. Прямое поглощение света не может дать инверсию в простой двухуровневой системе, потому что падающее ( накачивающее ) излучение будет не только возбуждать нижнее состояние в верхнее, но и инициировать вынужденное излучение из верхнего состояния, вызывая уменьшение его заселенности. Однако для получения инверсии заселенности и, следовательно, лазерного действия может быть использована трехуровневая система. На рис. [c.142]

Более удобна в энергетическом отношении система с четырьмя уровнями. В этой системе вынужденное излучение происходит при переходе активных атомов между уровнями 3 —> 2, причем уровень 2 расположен выше основного уровня /. Разность — Ej должна быть значительно больше энергии тепловых колебаний k T, чтобы сделать невозможным переброс атомов за счет тепловых колебаний с основного уровня на уровень 2, т. е. должно быть 82 — 61 > k T. Если это условие не выполнено (бд — < k T), то система становится трехуровневой, так как уровень 2 фактически сливается с уровнем 1 (подробнее см. [11]). [c.437]

Рис. 18.4. Самопроизвольное испускание и вынужденное излучение.

Мы не можем заниматься выводом соотношения между Атп и Втп(=Впт), по просто отметим, что вынужденное излучение представляет собой основу действия лазеров и важно для ЯМР и других видов спектроскопии. [c.558]

Неравновесная заселенность ядерных спиновых состояний в продуктах радикальных реакций проявляется в ЯМР-спектрах двояким образом в виде интегрального и мультиплетного эффектов. Интегральный эффект заключается в том, что в продуктах реакции наблюдается преимущественная ориентация ядерных спинов в направлении внешнего поля или против него, вследствие чего в ЯМР-спектре продукта наблюдается или аномально высокое поглощение (А) или вынужденное излучение ( ). [c.200]

Ядра изолированы от окружающей их решетки электронными оболочками и не могут отдать избыточную энергию путем соударений. Вероятность спонтанного (самопроизвольного) излучения в радиоволновом диапазоне ничтожно мала (например, время жизни протона в возбужденном состоянии равно лет). Существует, однако, безызлучательный путь отдачи энергии ядрами, называемый релаксацией. Дело в том, что в каждом образце, содержащем магнитные ядра, возникают слабые флуктуирующие (хаотически меняющиеся) локальные магнитные поля, обусловленные межмолекулярными и внутримолекулярными движениями. Эти магнитные поля содержат весь спектр колебаний, в том числе и тех, которые совпадают с частотой ларморовой прецессии магнитных ядер данного изотопа. Соответствующая компонента этого локального поля может вызвать переход того или иного прецессирующего ядра с верхнего уровня на нижний путем резонансного взаимодействия с ним. Энергия этого перехода передается элементам решетки в виде дополнительной поступательной, вращательной или колебательной энергии, т. е. превращается в тепловую энергию образца. Такой процесс охлаждения ядерных спинов называется спин-решеточной релаксацией. Он будет происходить довольно часто, поскольку, как показывает расчет, вероятность вынужденного излучения или ядерного магнитного резонанса велика (в противоположность спонтанному излучению). Система возбужденных ядер получает возмож- [c.22]

Излучательные переходы между энергетическими уровнями происходят с определенными вероятностями. Вероятность спонтанного излучения А (с ), в результате которого система переходит с верхнего энергетического уровня и на нижний /, связана с вероятностями вынужденного излучения Д / и поглощения Ви, соотношениями [c.332]

С возбуждением X на более высокий уровень в точности равна вероятности того, что это будет стимулировать испускание другого фотона к в результате перехода Y на более низкий уровень (см. рис. 111). Если заселенности обоих уровней одинаковы, то энергия, поглощенная от падающего пучка излучения, в точности равна энергии, возвращенной пучку за счет вынужденного испускания излучения. Если заселенности не одинаковы, то отношение поглощенной энергии к энергии, испущенной за счет вынужденного излучения, равно отношению щ1п . Излучение от спонтанного испускания некогерентное, т. е. кванты испускаются во всех направлениях и с произвольным распределением фаз во времени и пространстве. С другой стороны, вынужденное излучение находится в точности в фазе с стимулирующим излучением, так что если падающий пучок хорошо сфокусирован, то испускаемое излучение будет в значительной мере когерентным. [c.346]

Однако для переходов между двумя ориентациями ядерного спина кх кТ и отличие в равновесной заселенности двух уровней очень мало. Результирующая вероятность вынужденного излучения с верхнего уровня оказывается поэтому примерно такой же, как для поглощения с нижнего уровня. Вследствие очень малой разности энергий вероятность спонтанного испускания в этом случае пренебрежимо мала. Если бы обе заселенности были в точности одинаковы, вообще не происходило бы поглощения энергии от пучка радиочастотного излучения на каждые п абсорбированных квантов имелось бы п квантов, испускание которых было бы вызвано падающим пучком и которые находились бы полностью в одной фазе с ним. В действительности в поле в 10 ООО гс имеется избыток примерно в четыре протона на миллион в нижнем состоянии, так что должно происходить небольшое результирующее поглощение энергии, которое может быть детектировано и усилено с помощью обычных приемов электроники. Разность в заселенностях и, следовательно, результирующее поглощение можно усилить путем повышения и понижения Т. Экспериментальные трудности препятствуют значительному увеличению Н , но измерения можно проводить при низких температурах, [c.347]

Обычно различают три типа процессов поглощение, вынужденное излучение и спонтанное излучение. Предположим, что химическая частица имеет два квантовых состояния I и т с энергиями е и вт- Если частица первоначально находится в нижнем состоянии I, то она может взаимодействовать с электромагнитным излучением и поглощать энергию, переходя в состояние т. В обычных процессах поглощение происходит одноступенчато, так что разность между исходным и конечным уровнями точно равна энергии одного фотона излучения следовательно, поглощение излучения происходит лишь при условии 8т—Е1 = Н условие Бора ), Процесс поглощения состоит в потере интенсивности электромагнитного излучения и получении энергии поглощающей частицей. Обратный процесс, когда частица, находящаяся в верхнем состоянии, отдает энергию электромагнитному излучению, известен как вынужденное излучение слово вынужденное указывает, что существует взаимодействие между излучением и возбужденными частицами, вызывающее потерю энергии. Хотя мы не рассматриваем природу взаимодействия частицы и излучения, ясно, что скорость (интенсивность) поглощения или вынужденного излучения пропорциональна скорости столкновений фотонов с поглощающими или излучающими частицами, т. е. изменение интенсивности пропорционально плотности излучения р и концентрации химических частиц. Коэффициент пропорциональности определяет так называемые коэффициенты Эйнштейна В , й/т — коэффициент для процесса поглощения, Вт1 — для вынужденного излучения согласно принципу микроскопической обратимости, Вш = Вт1, и этот же результат можно получить при строгом следовании теории излучения. Скорости поглощения и вынужденного испускания равны В/тПгр и Вт1Птр = = В1тПтр) соответственно, где щ и Пт — концентрации частиц в низко- и высоколежащих состояниях. В случае теплового равновесия Пт всегда меньше, чем П1 [см. уравнение Больцмана (1.4)], и вклад поглощения оказывается более существенным, чем вынужденного испускания. Различие вкладов поглощения и вынужденного испускания определяется соотношением между величиной (вт—е ) и температурой Т. Уже упоминалось, что характерными для фотохимии являются уровни энергии ът--е.1) >кТ и Пт<.П1, поэтому вклад вынужденного испускания в фотохимические процессы в условиях теплового равновесия пренебрежимо мал. Однако в неравновесных ситуациях вынужденным испусканием уже нельзя пренебрегать, и если инверсия заселенности (/гт> () возрастает, то процессы испускания начинают преобладать над поглощением, и в [c.29]

Если в статическом магнитном поле Н достигнуто равновесное состояние и допустимо пользование законами распределения классической статистики, то заселенности отдельных энергетических уровней определяются больцмановским множителем е-йРНт /А -Заселенности нижних энергетических уровней больше, чем верхних, поэтому, если включить переменное магнитное поле резонансной частоты, число актов поглощения превысит число актов вынужденного излучения, в результате вещество будет поглощать энергию радиочастотного поля. Таки.м образом, в парамагнетике идут два противоположных процесса радиочастотное поле выравнивает заселенности различных магнитных уровней, а внутренние взаимодействия стремятся восстановить больцмановское распределение, переводя поглощенную энергию радиочастотного поля в тепло. [c.717]

Когда молекула подвергается электромагнитному облучению, она может поглощать излучение, которое соответствует разности энергий между состоянием, в котором она находится, и некоторым более высоким энергетическим состоянием. Эйнштейн показал, что поглощенная энергия может быть потеряна благодаря самопроизвольному испусканию или вынужденному излучению. Число молекул, переведенных из состояния п в состояние т (рис. 18.4) путем поглощения кванта Avnm, прямо пропорционально числу молекул в состоянии п и плотности излучения p(Vnm) с частотой Vnm [c.557]

Для получения лазерного эффекта надо достичь инверсной заселенности электронных состояний. При инверсной заселенности в верхнем состоянии находится больще молекул, чем в нижнем. Этого нельзя добиться просто использованием высокоинтенсивного источника света с соответствующей частотой для перевода молекул с нижнего уровня на более высокий. Падающее излучение стимулирует эмиссию фотонов из верхнего состояния с той же скоростью, с какой они поглощались в нижнем состоянии следовательно, с помощью интенсивного источника можно перевести в верхнее состояние не более чем 50% молекул. Однако, если верхнее состояние (например, 5i) можно преобразовать в другое возбужденное состояние (например, Ту) благодаря безызлучательно-му процессу, заселенность состояния Ту может превышать 50%. Этот процесс называют оптической накачкой. Если вслед за накачкой через вещество проходит излучение, соответствующее переходу Ti- o, то про исходит вынужденное излучение. [c.558]

Заселенность в электронном состоянии 1/2 будет существенно зависеть от временной задержки между возбуждающим и зондирующим импульсами. Из верхнего электронного состояния молекула может флуоресцировать (тогда измеряется интенсивность флуоресценции) либо распасться (детектируется продукт распада изложенными в этой главе методами) или ионизоваться (детектируется ток или ионы масс-спектрометрическими методами). Во всех случаях регистрируется зависимость измеряемой величины (интенсивность флуоресценции, концентрация продукта или ионного фрагмента) от временной задержки между возбуждающим и зондирующим импульсами. В некоторых методиках зондирующий импульс осуществляет переход в нижнее электронное состояние в результате вынужденного излучения на комбинационных переходах. Отметим, что высокая интенсивность фемтосекундных импульсов позволяет эффективно использовать все развитые к настоящему времени методы нелинейной спектроскопии. [c.133]

Из теории электромагнитного излучения следует, что вероят- ность перехода с нижнего энергетического уровня на верхний с поглощением энергии равна вероятности перехода в обратном направлении, сопровождающегося вынужденным излучением [43]. В случае изолированного ядра вероятность перехода с верхнего энергетического уровня на нижний путем спонтанного излучения очень невелика [44]. Если бы на каждом энергетическом уровне находилось одинаковое количество ядер, то число переходов с нижнего уровня на верхний и в обратном направлении было бы одинаковым, т. е. суммарный эффект не сопровождался бы поглощением или испусканием энергии. Однако в действи- [c.258]

Смотреть страницы где упоминается термин Вынужденное излучение: [c.96] [c.376] [c.167] [c.176] [c.142] [c.561] [c.569] [c.165] [c.558] [c.558] [c.558] [c.121] [c.136] [c.165] [c.201] [c.201] [c.450] [c.414] [c.414] [c.98] [c.114] [c.121] [c.672]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология