Высокочастотное возбуждение активной среды

Разумеется, в природе отрицательных температур не существует, и такое определение является чисто условным. Состояние системы частиц с условно отрицательной температурой называется состоянием с инверсной (обратной) населенностью.

Спонтанные и вынужденные переходы.

Особенности квантовых переходов частиц между энергетическими уровнями легче всего рассмотреть на примере простейшей двухуровневой системы, помещенной в резонансную полость [1].

а) резонансное поглощение; б) спонтанное излучение; в) вынужденное излучение.

Типы квантовых переходов

При переходе частицы на более высокий энергетический уровень ее энергия возрастает; соответственно на такую же величину уменьшается энергия внешнего поля. Этот квантовый переход называется переходом с резонансным поглощением.

Интенсивность резонансных переходов, очевидно, должна зависеть от плотности энергии внешнего поля, числа частиц на нижнем уровне и специфических свойств частиц, участвующих в переходах. Тогда число переходов из состояния Е1 в состояние Е2 за время dt составит:

Здесь - спектральная плотность энергии в полости, B12 - коэффициент Эйнштейна вынужденного (резонансного) поглощения для отдельной частицы.

В отсутствие внешнего поля частицы могут переходить с более высокого уровня на более низкий спонтанно. При этом генерируется спонтанное излучение. Число спонтанных переходов за время dt определяется выражением:

,

где А21 - коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения (вероятность спонтанного перехода в единицу времени для отдельной частицы). Среднее время жизни частицы в возбужденном состоянии обратно пропорционально вероятности перехода:

Спонтанное излучение является некогерентным.

Внешнее электромагнитное поле индуцирует переходы частиц с высшего энергетического уровня на низший. Эти так называемые вынужденные переходы сопровождаются испусканием квантов. Особенностью вынужденных переходов является то, что внешнее поле «навязывает» испускаемым квантам свою частоту, направление распространения и поляризацию. В свою очередь, испускаемые кванты «поддерживают» (усиливают) внешнее поле. Этот взаимосвязанный процесс обусловливает генерирование когерентного излучения. Число вынужденных переходов в течение времени dt также зависит от плотности внешнего поля, числа частиц на верхнем уровне и коэффициента Эйнштейна вынужденного испускания кванта:

Полное число излучательных переходов составляет:

Следовательно, под воздействием внешнего электромагнитного поля генерируется излучение, состоящее из спонтанного и вынужденного излучений; последнее является когерентным. В равновесном состоянии системы интенсивности переход «ввepx» и «вниз» (12) равны: , поэтому:

.

Откуда получим:

Сравнивая последнее выражение с соотношением населенностей по закону Больцмана, получаем выражение для плотности энергии:

Из физических соображений следует, что при . Тогда, полагая знаменатель последнего выражения равным нулю, находим .

При статистическом равновесии излучение внутри полости характеризуется спектральной плотностью энергии , которая определяется формулой Планка:

где Т - температура стенок полости.

Сравнивая выражения для плотностей энергии, получаем:

Лучшие статьи по информатике

Устройство преобразования аналоговых сигналов
Преобразование информации к виду, удобному для использования в различных устройствах, является важной задачей в системах управления. Долгое время предпочтен ...

Полевые транзисторы и их применение
Актуальность темы. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы используются весьма широко в различных устройствах специа ...

Электроакустика и радиовещание
Произвести необходимую планировку (реконструкцию) помещения с целью использования его в качестве аудитории. Рассчитать требуемую акустическую обработку внут ...