Emisia si absorbtia luminii. amplificatori cuantici

EMISIA SI ABSORBTIA LUMINII. AMPLIFICATORI CUANTICI

Unul din creatorii teoriei emisiei si absorbtiei radiatiei electromagnetice a fost A. Einstein. Acesta a abordat, in 1917, pentru prima data, problema radiatiei din punct de vedere cuantic.

1. Emisia spontana si stimulata. Coeficientii lui Einstein

Se considera, pentru un sistem atomic, doua nivele energetice, E_m si E_n (E_m > E_n). Sub actiunea unei radiatii electromagnetice cu frecventa:

sistemul efectueaza tranzitia  cu o probabilitate de realizare:

(4.63)

unde  este densitatea spectrala a radiatiei utilizate si B_nm este coeficientul de absorbtie (probabilitatea de absorbtie in unitatea de timp si pe unitatea de densitate spectrala).

Numarul de tranzitii efectuate in unitatea de timp este proportional cu numarul de sisteme atomice N_n din unitatea de volum, situate pe nivelul E_n.

Ca urmare a procesului de absorbtie, numarul de sisteme situate pe nivelul E_n descreste in timp, astfel incat se poate scrie:

(4.64)

Sub actiunea unei radiatii electromagnetice ce pulsatia , sistemul efectueaza tranzitia din starea excitata cu energia E_m in starea cu energia E_n. Probabilitatea de efectuare a acestei tranzitii este:

(4.65)

2. Amplificatori cuantici

Teoria lui Einstein a absorbtiei si emisiei radiatiei elctromagnetice a capatat o importanta deosebita datorita construirii unor generatoare si amplificatoare de radiatii electromagnetice. Aceste dispozitive sunt cunoscute sub numele de MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation) si LASER (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Primele masere au fost construite in 1954 de catre Gordon, Zeiger si Townes in SUA si Basov si Prohorov in Rusia. Primele dispozitive LASER au fost realizate de catre Meiman si Collin in 1960.

Radiatia emisa de laseri sau maseri se caracterizeaza prin coerenta aproape perfecta, monocromaticitate, directionalitate, datorita constructiei sistemelor ce emit radiatia si intensitate, puterile emise variind intre mW si sute de GW.

2.1. Conditiile de amplificare ale radiatiei electromagnetice

Se considera intr-un sistem atomic nivelele cu energiile E_m si E_n pentru care E_m>E_n, intre care pot apare procese de absorbtie, emisie spontana si stimulata. Se considera ca procesul de emisie spontana este neglijabil in comparatie cu cel de emisie stimulata. Procesel de emisie stimulata se desfasoara cu emisie de energie, puterea de emisie fiind:

(4.78)

iar cel de absorbtie cu puterea absorbita:

(4.79)

Daca

(4.80)

sistemul realizeaza amplificarea radiatiei electromagnetice. Din relatiile (4.78 - 4.79) rezulta ca inegalitatea (4.80) este indeplinita daca:

(4.81)

Relatia (6.81) arata ca amplificarea radiatiei electromagnetice se realizeaza cand nivelul cu energie mai mare este mai populat decat cel cu energie mai mica. Procesul de dezexcitare se produce in cascada, un foton declansand dezexcitarea unui atom, ducand la aparitia inca unui foton cu aceeasi frecventa, s.a.m.d. Daca fotonul va intalni un atom neexcitat, ii va furniza energia sa, ca urmare atomul trece in starea excitata. Fotonul astfel absorbit nu va participa la amplificarea radiatiei. Un sistem in care are loc amplificarea radiatiei electromagnetice se numeste sistem optic activ.

Relatia (4.81) cere deci ca populatia nivelului atomic excitat sa fie superioara celei a nivelului neexcitat. Aceasta conditie poarta numele de conditia de inversie a populatiei. In aceste medii distributia atomilor pe nivelele energetice nu se supune statisticii Maxwell - Boltzmann.

Conform statisticii Maxwell - Boltzmann, popularea nivelelor energetice este:

(4.82)

2.2. Principii de functionare ale dispozitivelor de tip LASER si MASER

Principiile de functionare ale celor doua tipuri de dispozitive sunt aceleasi. Este evident ca o conditie esentiala in realizarea unor astfel de dispozitive este producerea unui mediu optic activ in care sa se realizeze inversia de populatie. In plus trebuie indeplinite urmatoarele conditii:

sistemul utilizat sa aiba doua nivele intre care sa fie posibila o emisie radiativa, cu o probabilitate mare;

sa existe procedee de a excita electronii pe nivelul superior fara a folosi emisia stimulata. Un astfel de procedeu se numeste pompaj optic;

sa fie asigurate conditii de depopulare rapida a starii cu energia mai mica.

Pentru ilustrarea principului de functionare al unui laser se considera un sistem atomic cu trei nivele energetice. Se considera, de asemenea, ca printr-o metoda denumita pompaj optic se produce tranzitia intre nivelele cu energiile E₁ si E₃, realizandu-se modificarea popularii nivelelor respective. Atunci cand prin pompaj s-a realizat conditia N₁=N₂, se spune ca s-a indeplinit conditia de saturatie. In sistemul ales este necesar ca timpul de viata al atomilor pe nivelul caracterizat de energia E₃ sa fie foarte scurt. Va avea loc o relaxare rapida a sistemului pe nivelul cu energia E₂. In aceasta situatie, un semnal exterior cu pulsatia , produs de un camp alternativ, va produce tranzitii stimulate intre nivelele cu energiile E₂ si E₁.

Dezavantajul principal al laserilor cu trei nivele consta in faptul ca nivelul inferior, care participa la tranzitia laser, este nivelul fundamental, cu o populatie ridicata, ceea ce scade eficienta mecanismului de pompaj iar inversia de populatie se realizeaza greu. Acest dezavantaj este inlaturat la laserii cu patru nivele, unde prin emisia stimulata atomii trec pe un nivel intermediar care, in general, este putin populat. Inversia de populatie se realizeaza usor.

Proprietatile radiatiei laser enumerate anterior si performantele deosebite obtinute in realizarea dispozitivelor laser fac ca acestea sa fie deosebit de utile in toate domeniile de cercetare, inginerie, medicina, etc.