Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УСИЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ


Прежде чем перейти к рассмотрению принципа действия лазеров и лазерных усилителей, работа которых основана на взаимодействии оптического излучения с атомами и молекулами, необходимо напомнить ряд вопросов, касающихся теории излучения и поглощения электромагнитных волн атомами и молекулами.

2.1. Кинетика возбужденных состояний

В квантовых усилителях и генераторах усиление излучения происходит в среде, состоящей из огромного числа частиц - атомов и молекул. Как известно, частицы любой среды могут находиться в различных состояниях, отличающихся структурой электронного облака (электронные состояния) или характером относительного движения ионов в молекуле (колебательные и вращательные состояния). Возможные стационарные состояния образуют дискретную последовательность, которая определяет оптические свойства среды. Характеристики различных состояний атомов, ионов, молекул составляют, в частности, предмет спектроскопии. Для обозначения стационарных состояний используются общепринятые спектроскопические обозначения состояний (см., например, [4]).

Из всех характеристик состояния нас будет прежде всего интересовать внутренняя энергия частицы, которая складывается, главным образом, из кинетической и потенциальной энергий электронов в электронном облаке атома или иона. В молекуле к этому добавляется кинетическая и потенциальная энергии относительного движения и расположения ионов, составляющих молекулу.

Стационарным состояниям соответствует дискретный ряд значений энергии. Совокупность этих значений называется энергетическимспектром атома или молекулы. Состояние с наименьшей энергией является наиболее устойчивым и распространенным состоянием частицы. Оно называется основным или нормальным. Большая внутренняя энергия частицы соответствует возбужденным состояниям. Обычно указывают не абсолютную величину внутренней энергии, а ее избыток над энергией основного состояния - так называемый энергетический уровень данного состояния.

Рассматривая среду - совокупность частиц - следует иметь в виду, что в данном возбужденном или нормальном состоянии одновременно пребывает не одна, а целый ряд частиц. Число частиц, одновременно находящихся в каком-либо состоянии в единице объема среды, называется плотностью населенности рассматриваемого состояния. Это одна из важнейших характеристик состояния.

Таким образом, каждому состоянию соответствует определенная населенность. Совокупность населенностей различных возможных состояний представляет собой распределение населенностей по состояниям.

Распределение населенностей по состояниям частиц характеризует уже состояние среды в целом. В нормальных условиях большинство частиц находится в основном состоянии и, чем выше энергия состояния, тем меньше там частиц. Это соответствует закону стремления энергии любой системы к минимуму. В равновесном состоянии распределение населенностей описывается известным законом Больцмана. Повышение населенности возбужденных состояний связано с воздействием на среду каких-либо внешних факторов (облучения, электрического тока и т. п.). Среда с повышенным содержанием возбужденных частиц называется возбужденной.

В общем случае можно представить, что ряд различных возбужденных состояний, описываемых различными волновыми функциями, характеризуется одним и тем же значением энергии. Тогда данный энергетический уровень соответствует нескольким состояниям частицы. Такое положение называется вырождением возбужденных состояний по энергии. Число различных состояний, соответствующих данному энергетическому уровню , называется степенью или кратностью вырожденияданного уровня, или его статистическим весом .

Число частиц в единице объема среды, одновременно имеющих одну и ту же энергию, т.е. пребывающих в одном и том же энергетическом состоянии, находящихся на одном и том же энергетическом уровне называется плотностью населенности данного энергетического уровня.

В дальнейшем, где это не будет важным, не будем делать различия между понятиями “состояние” и “энергетический уровень”, но всегда следует иметь в виду, что данному уровню могут соответствовать несколько состояний, отличающихся любым параметром, кроме энергии.

Частицы среды не пребывают в каком-либо возбужденном состоянии бесконечно долго. Обычно в среде имеют место физические процессы, связанные с переходом частиц из одного состояния в другое. При каждом переходе из одного состояния в другое выделяется или поглощается порция (квант) энергии в соответствии с законом сохранения энергии. Выделяемая или поглощаемая при переходе энергия может иметь разные формы. Например, переход атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией (переход “вверх”) может произойти при соударениях атома с другими частицами. В этом случае пополнение внутренней энергии атома происходит за счет уменьшения кинетической энергии частиц, с которыми происходит соударение.

При переходе частицы из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (переход “вниз”) избыток внутренней энергии частицы может, например, перейти в тепловую энергию частиц, т.е. в кинетическую энергию хаотического движения частиц.

Переходы “вниз” или “вверх” могут происходить также с выделением или поглощением квантов электромагнитного излучения. В этом случае, как известно, частота излученного или поглощенного кванта определяется разностью энергий уровней, между которыми совершается переход:

;

, (8)

где - константа (постоянная Планка), равная .

Можно указать множество физических процессов, связанных с переходами частиц из одного возбужденного состояния в другое. Принято делить всю совокупность переходов на две группы, в зависимости от того, с какой формой внешней энергии связана трансформация внутренней энергии частицы. Переходы, в результате которых излучается или поглощается электромагнитная энергия, выделяются из всех возможных переходов названием “оптические переходы”. Все другие переходыназываютнеоптическими переходами.

Мерой интенсивности процесса, связанного с переходами, является число переходов, совершаемых в единицу времени в единице объема среды. Эта величина называется скоростью процесса (перехода). Обозначим ее как , где индексы и относятся к исходному и конечному уровням, между которыми переход совершается; размерность этой величины, очевидно, [ ]. Применительно к данному состоянию можно говорить о суммарных скоростях заселения и расселения состояния, понимая под первой величиной число переходов, оканчивающихся на рассматриваемом уровне, а под второй - число переходов, начинающихся с рассматриваемого уровня.

Если рассматривать некоторый уровень , то скорость его заселения определяется как , а скорости расселения как , где суммирование производится по всем уровням, за исключением рассматриваемого. Понятно, что изменение населенности уровня определяется балансом скоростей всех заселяющих и всех расселяющих процессов:

. (9)

Уравнения такого типа называют кинетическими, скоростными или балансными уравнениями и часто используют для расчета распределения населенностей уровней в квантовой электронике, где приходится иметь дело, как мы увидим, с системами частиц, выводимыми из состояния теплового равновесия с помощью воздействия различных физических факторов.

Скорость процесса, связанного с переходом - , пропорциональна населенности исходного состояния :

. (10)

Коэффициент пропорциональности , который различен для разных переходов, имеет физический смысл доли атомов в исходном состоянии, участвующих в переходе в единицу времени. Величину называют вероятностью перехода . Размерность этой величины [ ]. Вероятность перехода определяется индивидуальными свойствами данного перехода.

С учетом (10) кинетическое уравнение для состояния запишется так:

. (11)

Если процессы, заселяющие возбужденный уровень прекратились, то населенность этого уровня, начиная с этого момента, начинает убывать в соответствии с уравнением:

. (12)

Решение этого уравнения дает экспоненциальную зависимость убывания числа частиц в состоянии :

. (13)

Темп убывания населенности определяется суммой вероятностей всех переходов из данного состояния. Величина называется полной вероятностью обеднения уровня и обозначается .

Время пребывания частиц в данном состоянии или, как говорят, время жизни состояния, ограничено. Оно характеризуется временем , в течение которого населенность состояния уменьшается в раз. Таким образом, время жизни состояния связано с вероятностью обеднения соотношением:

. (14)

Время жизни различных состояний весьма различно: от до нескольких секунд. Наиболее долгоживущие состояния называют метастабильными.

Для определения распределения системы частиц по различным состояниям, включающим энергетических уровней, очевидно, необходимо записать уравнение типа (11) для каждого из уровней, за исключением одного, а в качестве недостающего уравнения использовать уравнение сохранения числа частиц в системе:

, (15)

где - полное число рассматриваемых частиц в системе.

В ряде случаев удается значительно уменьшить число уравнений, принимая во внимание лишь те переходы, вероятность которых значительно превышает все остальные.

Такие кинетические уравнения используются при анализе возможности перевода вещества в состояние, когда оно способно усиливать излучение, при различных воздействиях на вещество, определении пороговой величины такого воздействия, определении уровня усиления, оценке генерационных характеристик и т.п.

Отметим, что вероятность перехода в общем случае складывается из вероятностей оптических и неоптических переходов

. (16)

Определяющую роль в работе квантовых генераторов и усилителей играют оптические переходы, поскольку только они способны приводить к излучению электромагнитной энергии. Ввиду этого напомним основные сведения, связанные с оптическими переходами.

2.2. Оптические переходы

Существует три типа оптических переходов: спонтанные (самопроизвольные) оптические переходы, сопровождающиеся спонтанным излучением, и вынужденные оптические переходы, происходящие как с поглощением квантов - резонансное поглощение, так и с испусканием квантов - вынужденное излучение. Рассмотрим их в указанной последовательности.

2.2.1. Спонтанные переходы. Спонтанное излучение.

Атом, находящийся в одном из возбужденных состояний, может самопроизвольно (спонтанно) перейти в состояние с меньшей энергией, излучив при этом квант . Этот процесс носит случайный характер, невозможно точно предсказать момент времени, когда он произойдет. Для характеристики таких переходов вводят величину - среднее время, в течение которого такой переход происходит между рассматриваемыми уровнями. Чаще пользуются обратной ему величиной, которую называют вероятностью спонтанного перехода: . называетсяинтегральным коэффициентом Эйнштейна для спонтанного перехода. Он определяет вероятность спонтанного перехода в единицу времени. Типичное значение вероятности для разрешенных (наиболее вероятных) переходов оптического диапазона составляет . Это означает, что возбужденные состояния атома “распадаются” в среднем за время , или, как говорят, время жизни атома в возбужденном состоянии составляет .

Количество таких переходов в ансамбле частиц в единицу времени (скорость перехода) можно определить так:

. (17)

Зная скорость перехода, легко определить мощность спонтанного излучения, так как при каждом таком переходе излучается энергия, равная энергии кванта :

. (18)

Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы излучают неодновременно и независимо, поэтому фазы электромагнитных волн, излучаемых разными атомами, не согласованы друг с другом. Случайный характер имеет не только момент испускания атомом фотона, но и направление его распространения, а также поляризация такого излучения. В результате этого суммарное спонтанное излучение вещества является некогерентным. Кроме того, как будет показано ниже, и частота спонтанного излучения занимает значительный частотный интервал.

Излучение всех обычных источников света возникает за счет спонтанного испускания, вследствие чего излучение этих источников немонохроматично, ненаправленно и неполяризованно, т.е. некогерентно.

Как мы увидим, спонтанное излучение является шумовым (вредным) излучением в квантовых усилителях и генераторах, но играет и весьма важную полезную роль, являясь “затравочным” излучением, с которого начинается генерация и формируется лазерное, когерентное излучение, а также спонтанные переходы могут играть важную роль в создании и поддержании усиливающих свойств среды.

2.2.2. Вынужденные оптические переходы с поглощением кванта.

Резонансное поглощение

Если на атом падает квант с энергией, равной энергии перехода - разнице энергий каких-либо двух уровней, или, что то же самое, падает излучение с частотой, равной частоте перехода между этими уровнями, под которой понимается разница энергий уровней, деленная на постоянную Планка, атом может поглотить этот квант и перейти на уровень с большей энергией.

Эти переходы сопровождаются поглощением квантов, уменьшением энергии электромагнитного излучения на частоте перехода, вследствие чего этот процесс получил название резонансного поглощения.

Вероятность резонансного поглощения пропорциональна интенсивности излучения, вызывающего переход, т.е. квадрату амплитуды волны или числу фотонов. Ввиду этого ее задают в расчете на единичную объемную плотность энергии излучения на частоте перехода. Такая вероятность задается интегральным коэффициентом Эйнштейна , который определяет вероятность перехода одной частицы в единицу времени под действием единичной объемной плотности энергии поля на частоте перехода. Величина имеет размерность [ ].

Вероятность этого процесса под действием поля с объемной плотностью энергии на частоте перехода, очевидно, равна:

. (19)

Скорость переходов (количество переходов в единицу времени), соответствующих резонансному поглощению, и мощность, поглощаемую при этом процессе, можно определить так:

,

. (20)

Отметим, что вынужденный характер этого процесса не отменяет его случайной природы; просто, в отличие от спонтанного испускания, здесь есть возможность воздействия на вероятность процесса путем изменения .

2.2.3. Вынужденные оптические переходы с излучением кванта.

Вынужденное излучение

Эйнштейном было показано, что если атом находится в одном из возбужденных состояний (на возбужденном уровне) и на него падает квант с энергией, равной разнице энергий данного уровня с каким либо нижележащим уровнем или, что то же самое, падает излучение с частотой, равной частоте излучения, соответствующей разнице энергий этих уровней, атом может перейти на нижележащий уровень, излучив при этом квант, точно такой же, как квант, вызывающий этот переход.

При этом энергия падающего на атом кванта не расходуется на совершение перехода, он лишь стимулирует его.

Таким образом, в результате такого перехода выделяется еще один квант, неотличимый от кванта, вызывающего переход, что означает полное совпадение частот, фаз, поляризаций, направлений распространения падающего излучения и излучения, возникшего в результате таких переходов, получившего название вынужденного излучения. Поскольку энергия излучения в результате вынужденного излучения увеличивается, а все его другие характеристики сохраняются, можно говорить о том, что имеет место когерентное усиление излучения.

Этот процесс играет основную роль в квантовых усилителях и генераторах, благодаря ему удалось реализовать усиление и генерацию когерентного излучения, в том числе оптического диапазона.

Как и в случае резонансного поглощения, вероятность этого процесса зависит от интенсивности излучения на частоте перехода или числа фотонов. Ввиду этого ее также задают в расчете на единичную объемную плотность энергии излучения на частоте перехода. Такая вероятность определяется интегральным коэффициентом Эйнштейна [ ].

Вероятность процесса вынужденного излучения под действием поля с объемной плотностью на частоте перехода, скорость переходов и мощность вынужденного излучения соответственно могут быть определены следующими выражениями:

; (21)

; (22)

. (23)

Напомним, что между интегральными коэффициентами Эйнштейна справедливы следующие соотношения:

;

; (24)

Полная вероятность излучения равна:

. (25)

На рис.6 показаны три типа оптических переходов между уровнями.

Перейдем теперь к рассмотрению следующего важнейшего вопроса о ширине и контуре спектральных линий, излучаемых как одиночным атомом, так и коллективом атомов.

2.3. Ширина и контур спектральных линий.

Однородное и неоднородное уширение линий

В приведенных выше рассуждениях предполагалось, что при квантовых переходах частица излучает или поглощает излучение строго определенной частоты: . Если бы это было так, то спектры излучения (или поглощения) состояли бы из бесконечно тонких (в смысле спектральной ширины) спектральных линий. Однако, как известно из спектрального анализа, таким спектром характеризуются только гармонические колебания, длящиеся бесконечно долго. Излучение же атома ограничено во времени и, следовательно, спектр такого излучения должен занимать конечный спектральный интервал и не может быть бесконечно узким. Это же следует и из законов квантовой механики, в соответствии с которыми энергетические уровни частицы даже в идеальном случае, когда отсутствуют какие-либо внешние воздействия на частицу, имеют конечную ширину. Ширина энергетического уровня регламентируется одним из фундаментальных законов квантовой механики, называемым соотношением неопределенностей, и зависит от времени пребывания частицы (времени жизни) в данном состоянии :

;

. (26)

Поскольку время жизни данного состояния определяется суммой вероятностей всех спонтанных переходов в низшие состояния, это соотношение можно записать так:

. (27)

Как видно, наиболее широкими оказываются уровни с малым временем жизни, которые являются исходными для большого числа разрешенных переходов.Метастабильные (долгоживущие) уровни, напротив, имеют малую ширину. Наличие определенной ширины энергетических уровней невозмущаемых неподвижных атомов приводит к тому, что излучаемые и поглощаемые в этих условиях спектральные линии (так называемыеестественные линии) также имеют конечную ширину, определяемую суммарной шириной уровней, между которыми происходит переход:

. (28)

Таким образом, неопределенность энергии состояния приводит к неопределенности частоты перехода или, другими словами, к присутствию в спектре излучения различных частот в пределах спектральной полосы . Получаемая так ширина спектральной линии изолированного, неподвижного атома называется естественной шириной линии. Это минимально возможная ширина линии и определяется она вероятностью спонтанных излучательных процессов, так как других возможностей отдать свою энергию, кроме как через излучение, в этой ситуации у атома нет. Поэтому естественная ширина линии определяется через коэффициенты Эйнштейна для спонтанного излучения или через соответствующие им времена жизни:

. (29)

Следующим важным и естественным вопросом является распределение энергии излучения по частотам в пределах естественной ширины линии, называемое контуромспектральной линии. Ответ на него может быть получен как в рамках квантовой механики, так и при рассмотрении классической модели затухающего гармонического осциллятора. Можно показать, что контур естественной линии имеет вид:

. (30)

Такая форма линии называется естественной или лоренцевой (рис.7). Как видно, она имеет вид резонансной кривой с максимумом на частоте , называемой центральной частотой перехода, спадающей до уровня половины пиковой мощности при частотах и . Очевидно, что полная ширина кривой на половинном уровне пиковой мощности составляет , что и принято понимать под шириной спектральной линии.

Все приведенные выше рассуждения касались свойств излучения изолированного неподвижного атома. Однако в реальной ситуации, имеющей место в лазерных системах, приходится иметь дело с большим числом (ансамблем) частиц, которые могут взаимодействовать между собой, например, сталкиваться, влиять полями, а также перемещаться.

Эти процессы могут приводить к значительному увеличению ширины спектральных линий, соответствующих ансамблю частиц, по сравнению с естественной шириной. При этом возможна ситуация, когда форма контура линии остается лоренцевой. Этот случай называется однородным уширением линии. Возможна ситуация, когда увеличение ширины линии по отношению к естественной сопровождается видоизменением контура линии по отношению к лоренцевой. Этот случай называют неоднородным уширением линии. Таким образом, в лазерных системах всегда приходится иметь дело либо с однородно уширенной линией, либо с неоднородно уширенной.

В связи с этим рассмотрим более подробно вопросы уширения спектральных линий.

2.3.1. Однородное уширение линий в ансамбле частиц.

Релаксационные процессы

В ансамбле взаимодействующих частиц взаимодействие частицы с ее окружением может существенно сокращать время ее жизни на уровне и, как правило, влиянием спонтанного излучения на ширину линии можно пренебречь.

При взаимодействии квантовой частицы с ее окружением существенную роль начинают играть релаксационные безизлучательные переходы. Механизм процессов этих взаимодействий зависит от вида конкретной системы частиц (вещества). Это может быть взаимодействие между ионами и решеткой кристалла, соударения между молекулами газа и жидкости и т.д. В конечном счете результатом действия релаксационных процессов является обмен энергией между подсистемой рассматриваемых частиц и тепловыми движениями во всей системе в целом, приводящий к термодинамическому равновесию между ними.

Обычно время установления равновесия, время жизни частицы на уровне, обозначается и называется временем продольной релаксации (временем релаксации инверсии, временем спин-решеточной релаксации, диполь-решеточной релаксации). Оно определяется вероятностями излучательных (спонтанных) и безизлучательных переходов (неупругих взаимодействий):

, (31)

где - среднее время спонтанного перехода; - среднее время между неупругими (с потерей внутренней потенциальной энергии) взаимодействиями частицы (активного центра) с окружением (решеткой, атомами, стенками сосуда и т.п.).

Существует еще и так называемое время поперечной релаксации,обозначаемое как . Поясним его смысл. Как правило, нас интересует поведение большой совокупности частиц, электрический или магнитный дипольный момент этой совокупности. Полный момент определяется фазовыми соотношениями между моментами индивидуальных частиц. Пусть в начальный момент времени все частицы имеют дипольные моменты, осциллирующие синфазно. С течением времени эта синфазность будет нарушаться. Время является мерой того отрезка времени, в течение которого частицы приобретут случайные по отношению друг к другу фазы.

Любой процесс, вносящий вклад во время релаксации , т.е. любой процесс потери энергии частицами, приводит к потере (сбиву) фазы. Следовательно, .

Но существуют взаимодействия, которые хотя и не меняют энергию ансамбля частиц, увеличивают степень беспорядка, разрушая фазовые соотношения между составляющими ансамбль частицами. Например, при газокинетических соударениях одна частица совершает переход , а другая переход . Система в целом не меняет своей энергии. Но фазовая информация при этом теряется, фазовая память нарушается. Можно считать, что время - это время фазовой памяти или время передачи энергии от частицы к частице по уровню.

Во всех системах, где существенны взаимодействия частиц друг с другом (спин-спиновые взаимодействия, диполь-дипольные взаимодействия, упругие соударения) , часто .

. (32)

Таким образом - время поперечной релаксации (время релаксации поляризации, время диполь-дипольной релаксации или спин-спиновой релаксации) определяется всеми процессами, которые приводят к изменению населенности, а также упругими взаимодействиями. - среднее время между взаимодействиями частиц с другими частицами, которые либо не изменяют внутреннюю энергию частицы, а влияют лишь на фазу колебаний, либо приводят к резонансной передаче энергии (от одной частицы к другой), в результате которой фаза колебаний также может изменяться.

Итак, затухание поляризации ансамбля частиц может быть вызвано упругими взаимодействиями из-за сопровождающей их дефазировки (нарушения когерентности колебаний) молекулярных и атомных диполей, а также из-за переходов частиц с верхнего уровня на нижний (так как при этом осциллятор исчезает - переходит в другое состояние). Таким образом, рассмотренные процессы релаксации приводят к сокращению времени жизни частиц в возбужденных состояниях, что соответствует увеличению ширины уровней и, как следствие, к увеличению спектральной ширины линий, а также к сбиву фазы излучаемых колебаний, что может рассматриваться как сокращение длительности цуга колебаний и, следовательно, должно также приводить к увеличению ширины спектральных линий.

Так как время является самым коротким временем релаксации, то именно оно и определяет ширину линии поглощения или излучения резонансного перехода:

. (33)

Заметим, что одновременное действие различных факторов, приводящих к релаксации уровня, учитывается суммированием соответствующих им ширин спектральных линий. Так, например, в газовых средах может оказаться существенной релаксация уровней за счет столкновений частиц друг с другом. В этом случае говорят о столкновительной ширине линии. Она определяется обратной величиной времени пробега излучающей частицы между двумя очередными столкновениями. Столкновительная ширина линии зависит от давления газа и его температуры по закону:

~ . (34)

Из (34) видно, что с падением давления ширина линии уменьшается. В разряженных газах может оказаться существенным эффект релаксации уровней уже не за счет взаимных столкновений частиц, а за счет столкновений частиц со стенками объема, в котором заключен газ. В этом случае вводят в рассмотрение ширину линии , где - среднее время между двумя столкновениями частицы со стенкой сосуда.

Таким образом, для газов с учетом действия отмеченных факторов, дающих вклад в однородное уширение, ширина однородно-уширенной линии может определяться так:

. (35)

В твердых телах релаксация уровней определяется, в основном, взаимодействием частиц (например, ионов с незаполненной внутренней электронной оболочкой) с квазичастицами и, прежде всего, с фононами (спин-решеточная релаксация).

Обозначим соответствующую ширину линии, обусловленную спин-решеточной релаксацией, как . Эта ширина линии по порядку величины составляет при и уменьшается на один или два порядка при охлаждении до температуры жидкого азота. Другой причиной однородного уширения линии является в твердых телах спин-спиновая релаксация (упругое взаимодействие), дающее ширину линии .

Таким образом, для твердых тел ширина однородно-уширенной линии может быть в ряде случаев оценена так:

, (36)

где .

Таким образом, если ширина линии резонансного перехода для отдельного атома определяется временами жизни уровней, связанными только со спонтанным излучением, т.е.

,

то для ансамбля частиц это становится несправедливым. Величины и могут быть близки только в сильно разряженных газах, а в конденсированных средах различие между ними может быть огромным. Так, например, для ионов неодима в алюмо-иттриевом гранате , а , что означает, что ширина соответствующей спектральной линии будет составлять около .

Указанные процессы, определяемые временами релаксаций и , приводят к значительному спектральному уширению линий по отношению к естественной ширине, однако контур линии при этом остается лоренцевым. Это означает, что имеет место однородное уширение линий. При таком уширении каждый атом излучает при переходе одинаковые линии, с одной и той же центральной частотой, полной шириной и одинаковым (лоренцевым) контуром. Невозможно приписать какую-либо спектральную компоненту в спектре какому-то определенному атому (или группе атомов). При однородном уширении вне зависимости от его природы, контур линии есть единая спектральная характеристика как одного атома, так и всей совокупности атомов. Изменение этой характеристики, в принципе возможное при том или ином воздействии на ансамбль атомов, происходит одновременно и одинаковым образом для всех атомов ансамбля.

Но возможны и другие процессы, кроме рассмотренных, приводящие к увеличению ширины линии, при которых контур линии не остается лоренцевым, т.е. имеет место неоднородное уширение линии. Рассмотрим это более подробно.

2.3.2. Неоднородное уширение спектральных линий

При таком уширении наблюдаемые спектральные линии могут явиться бесструктурной суперпозицией нескольких спектрально-неразрешимых однородно уширенных линий. В этих случаях каждая частица излучает или поглощает не в пределах всей наблюдаемой линии, а вероятность данного перехода неодинакова для всех частиц ансамбля.

Причиной неоднородного уширения может быть любой процесс, приводящий к различию в условиях излучения (поглощения) для части одинаковых атомов ансамбля частиц или наличие в ансамбле атомов с близкими, но различными спектральными свойствами (сверхтонкая структура того или иного вида), однородно уширенные линии которых перекрываются лишь частично. Так, причиной неоднородного уширения может быть пространственная неоднородность физических параметров среды (проявляющаяся в твердых т<



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.