Индуцированное излучение. Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в медицине

ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Кроме самопроизвольных (спонтанных)  переходов  с  одного энергетического уровня на другой, наблюдаются также индуцированные (вынужденные, стимулированные) переходы, обусловленные действием на  атом падающего на него излучения.  Спонтанные переходы могут осуществляться только в одном направлении - с более  высоких уровней на более низкие. Вынужденные переходы могут с равной вероятностью происходить как в одном,  так и в другом  направлении. В  случае  перехода на более высокий уровень атом поглощает падающее на него излучение. При вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на более низкий энергетический уровень происходит излучение атомом фотона,  дополнительного к тому фотону, под действием которого произошел переход. Это дополнительное излучение называется индуцированным (б).

рисунок

Индуцированное излучение обладает весьма важными  свойствами. Направление  его распространения в точности совпадает с направлением распространения внешнего излучения,  вызвавшего  переход. То же самое относится к частоте,  фазе и поляризации вынужденного и внешнего излучений. Таким образом, вынужденное и внешнее излучения  оказываются когерентными.  Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

Среды, в которых возможно индуцированное  излучение,  обладают отрицательным  коэффициентом  поглощения,  так как световой поток, проходя сквозь такие среды,  не ослабляется, а усиливается; следовательно,  в законе поглощения   коэффициент c

будет отрицательным.  Такие среды отличаются от обычных тем, что в них возбужденных атомов имеется больше, чем невозбужденных.

Для того чтобы среда обладала свойством усиливать  световой поток, необходимо,  чтобы  число актов индуцированного излучения фотонов превышало бы число актов поглощения фотонов, то есть инверсную населенность, верхние уровни окажутся более населенными, чем нижние.

В нормальных условиях поглощение всегда преобладает над вынужденным излучением.  Это объясняется тем, что обычно число невозбужденных атомов  всегда больше числа возбужденных атомов,  а вероятности переходов в ту или другую сторону под влиянием внешних фотонов одинаковы.

Для получения состояния с инверсной населенностью надо или, подводя к среде энергию извне,  переводить ее частицы на верхний энергетический уровень,  то есть возбуждать их (например, светом или электрическим  разрядом),  или тем или иным способом убирать из среды частицы, находящиеся на нижнем уровне.

Оптические квантовые генераторы (лазеры)

и их применение в медицине.

Явление индуцированного излучения  используют  в  квантовых генераторах (усилителях). За разработку нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн и создание молекулярных  генераторов и усилителей советским физикам Н.Г.Басову и А.М.Прохорову в 1959 году была присуждена Ленинская премия,  а в 1964  году