c. Оптические квантовые генераторы (лазеры).

При этом испускаемый фотон неотличим от фотона, который падает на атом: направление распространения, фаза, частота и поляризация в испущенной волне точно такие же, как в падающей. В итоге вынужденного излучения усиливается световая волна, которая падает на атом.Следовательно, только вынужденное излучение может создать остронаправленную, когерентную волну. Тем не менее, нужно иметь в виду, что одновременно идут два противоположных процесса: поглощениеивынужденное излучение, потому что в соответствии с принципом детального равновесия в термодинамически равновесной среде каждому процессу можно сопоставить обратный процесс, при этом скорости их протекания одинаковы. Усиление света средой будет происходить в том случае, когда вынужденное излучение будет преобладать над поглощением.Найдем условие, при котором вынужденное излучение преобладает над поглощением.Рассмотрим среду, в которой атомов находится на нижнем энергетическом уровне иатомов – на верхнем энергетическом уровне. Обозначимвероятность того, что за единицу времени атом, который находится на верхнем уровне, спонтанно испустит фотон,– вероятность вынужденного излучения,– вероятность поглощения. Вероятности вынужденных переходов (излучения и поглощения) пропорциональны спектральной плотности энергии электромагнитного поля, которое вынуждает переход, который приходится на частоту, соответствующую данному переходу (). Обозначив коэффициент пропорциональности буквойВ, можно записать:и. (17)Величины иназываются коэффициентами Эйнштейна. В соответствии с принципом детального равновесия, в термодинамически равновесной среде:. (18)Таким образом:. (19)За единицу времени все атомы среды спонтанно испустят фотонов, а вынужденно –фотонов. В то же время будет поглощенофотонов. В таком случае условие равновесия будет иметь следующий вид:. (20)Теперь сравним количество фотонов, вынужденно испускаемых, с количеством поглощаемых фотонов. Из выражений (19) – (20) следует: для того что бы получить усиление падающей волны, нужно выполнение условия:. (21)Говоря иными словами, на верхнем энергетическом уровне должно находиться больше атомов, чем на нижнем энергетическом уровне. Состояние совокупности атомов, для которого выполняется условие (21), называетсясостоянием с инверсной населенностью.В веществе с инверсной населённостью энергетических уровней вынужденное излучение превысит поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Лазер генерирует свет за счет вынужденного излучения. Для этого нужно иметь среду с инверсной населенностью уровней. Тем не менее, получить инверсную населенность непросто.Любая среда (термодинамическая система) стремится перейти в состояние теплового равновесия. При этом атомы распределены по энергетическим уровням по закону Больцмана: . (22)Поскольку абсолютная температура , то из выражения (22) следует, что. Следовательно, в состоянии теплового равновесия поглощение всегда сильнее, чем вынужденное излучение. По данной причине тепловые источники излучают за счет спонтанного излучения.Инверсная населенность – неравновесное состояние. Для поддержания среды в неравновесном состоянии нужно мощное внешнее воздействие. Такое воздействиеействие называется накачкой. Прекращение накачки приводит к быстрому исчезновению инверсной населенности. Зачастую используется оптическая накачка (облучение среды светом) или электрическая накачка (пропускание через среду электрического тока). Тем не менее, даже самое мощное воздействие само по себе приводит только к выравниванию населенностей, но не к инверсной населенности. Обойти такую трудность можнотак: внешнее влияние осуществляется на одной паре уровней, а инверсная населенность появляется на другой паре уровней. По данной причине в любой схеме накачки используется не меньше трех разных энергетических уровней.ЗаключениеТаким образом, можно сделать следующие выводы.Когерентность волн бывает пространственной и временной. Источники, у которых разность фаз остается постоянной, называют когерентными. Самый простой способ создания когерентных источников – использование реального источника и его изображения. Есть разные способы создания когерентных источников. Главные схемы наблюдения интерференции в немохроматическом свете используют деление волнового фронта (обычно от точечного источника) или деление амплитуды волны. При этом создают две когерентных волны, которые интерферируют при малой разности хода.Список использованных источниковБатышев, А.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / А.И. Батышев, А.А. Смолькин. - М.: ИНФРА-М, 2012. - 288 c.Безпалько, В.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / Под ред. А.И. Батышев, А.А. Смолькин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 288 c.Бондаренко, Г.Г. Основы физического материаловедения: Учебник / Г.Г. Бондаренко. - М.: Бином, 2014. - 760 c.Захаров, А.Ю. Теоретические основы физического материаловедения. Статистическая термодинамика модельных систем: Учебное пособие / А.Ю. Захаров. - СПб.: Лань, 2016. - 256 c.Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Под редакцией М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса. Москва, Мир, 2002.Храмцов, Н.В. Основы полупроводникового материаловедения / Н.В. Храмцов. - М.: АСВ, 2011. - 240 c.