1 Введение

1.1. Спонтанное и вынужденное излучение; поглощение

Квантовую электронику можно определить как раздел электроники, в котором фундаментальную роль играют явления квантового характера. Настоящая книга посвящена рассмотрению частного аспекта квантовой электроники, а именно описанию физических принципов действия лазеров и их характеристик. Прежде чем заняться детальным обсуждением предмета, целесообразно уделить некоторое внимание элементарному рассмотрению идей, на которых основаны лазеры.

В лазере используются три фундаментальных явления, происходящих при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного излучения и процесс поглощения.

1.1.1. Спонтанное излучение (рис. 1.1, а)

Рассмотрим в некоторой среде два энергетических уровня 1 и 2 с энергиями Е и . В последующем рассмотрении это могут быть любые два уровня из неограниченного набора уровней, свойственных данной среде. Однако удобно принять уровень 1 за основной. Предположим, что атом (или молекула) вещества находится первоначально в состоянии, соответствующем уровню 2. Поскольку атом будет стремиться перейти на уровень 1. Следовательно, из атома должна выделиться соответствующая разность энергий Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называют спонтанным излучением. При этом частота излученной волны определяется формулой (полученной Планком)

где — постоянная Планка. Таким образом, спонтанное излучение характеризуется испусканием фотона с энергией при переходе атома с уровня 2 на уровень 1 (рис. 1.1, а). Заметим, что спонтанное излучение только один из двух возможных путей перехода атома из одного состояния в другое. Переход может происходить также и безызлучательным

путем. В этом случае избыток энергии выделяется в какой-либо иной форме (например, разность энергии может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул).

Вероятность спонтанного излучения можно определить следующим образом. Предположим, что в момент времени на уровне 2 находятся атомов (в единице объема). Скорость перехода этих атомов вследствие спонтанного излучения на нижний уровень, очевидно, пропорциональна Следовательно, можно написать

Множитель А представляет собой вероятность спонтанного излучения и называется коэффициентом Эйнштейна А (выражение для А впервые было получено Энштейном из термодинамических соображений).

Рис. 1.1. Схематическое представление трех процессов, а — спонтанное излучение; б — вынужденное излучение; в — поглощение.

Величину называют спонтанным временем жизни. Численное значение величины зависит от конкретного перехода, участвующего в излучении.