Најважније из лекције
Апсорпција: Фотон енергије \( h\nu = E_2 - E_1 \) бива апсорбован, пребацујући електрон са нивоа \(E_1\) на \(E_2\); интензитет зрачења опада.
Стимулисана емисија: Упадни фотон стимулише прелазак побуђеног електрона са \(E_2\) на \(E_1\), ослобађајући други идентичан фотон (иста фаза, фреквенција, смер и поларизација); интензитет зрачења расте.
Услов појачања: Пошто су вероватноће процеса по атому једнаке, да би стимулисана емисија доминирала над апсорпцијом и светлост се појачала, потребно је да већина атома буде у побуђеном стању (\(N_2 > N_1\)).
Стимулисана емисија: Упадни фотон стимулише прелазак побуђеног електрона са \(E_2\) на \(E_1\), ослобађајући други идентичан фотон (иста фаза, фреквенција, смер и поларизација); интензитет зрачења расте.
Услов појачања: Пошто су вероватноће процеса по атому једнаке, да би стимулисана емисија доминирала над апсорпцијом и светлост се појачала, потребно је да већина атома буде у побуђеном стању (\(N_2 > N_1\)).
Апсорпција зрачења је процес у коме електрон у атому интерагује са упадним фотоном и прелази са нижег на виши енергијски ниво (ексцитација атома).
Енергија упадног фотона мора бити једнака разлици енергијских нивоа: \( h\nu = E_2 - E_1 \).
Током апсорпције, упадни фотон бива уништен (утрошен на ексцитацију), због чега се интензитет упадног зрачења смањује при проласку кроз средину.
Апсорпција је неопходна за рад ласера, јер обезбеђује превођење атома у побуђено стање. Поред апсорпције фотона, ексцитација атома се може постићи и сударима.
Стимулисана (индукована) емисија је процес у коме упадни фотон одговарајуће енергије \( h\nu = E_2 - E_1 \) интерагује са већ побуђеним атомом, изазивајући његов прелазак на нижи енергијски ниво уз емисију новог фотона.
Нови (емитовани) фотон има потпуно исте карактеристике као упадни фотон:
- исту фреквенцију (таласну дужину)
- исту фазу
- исти правац и смер простирања
- исту раван поларизације
Као резултат стимулисане емисије добија се кохерентно електромагнетно зрачење, а интензитет упадног снопа светлости се појачава (из једног упадног фотона настају два идентична).
Ајнштајнова једнакост вероватноћа: Вероватноћа да један непобуђен атом у датом пољу зрачења апсорбује фотон једнака је вероватноћи да побуђени атом у истом пољу претрпи стимулисану емисију.
\[ N_{\text{апсорпција}} \sim N_1 \qquad N_{\text{стимулисаних емисија}} \sim N_2 \]
\( N_1 \) – број атома у основном (нижем) стању, \( N_2 \) – број атома у побуђеном (вишем) стању
Доминантност процеса при проласку зрачења кроз средину одређена је односом броја атома:
- Ако је \( N_1 > N_2 \) (уобичајено стање): Апсорпција је доминантна \(\rightarrow\) сноп слаби.
- Ако је \( N_2 > N_1 \) (инверзија насељености): Стимулисана емисија је доминантна \(\rightarrow\) сноп се појачава.
Задаци за вежбање
Лаки задатак: Шта се дешава са интензитетом снопа светлости када пролази кроз материјал у коме је број атома у основном стању већи од броја атома у побуђеном стању?
Када је број атома у основном стању (\(N_1\)) већи од броја атома у побуђеном стању (\(N_2\)), процес апсорпције је доминантан у односу на стимулисану емисију. Због тога се енергија фотона троши на ексцитацију атома, па се интензитет снопа светлости смањује (слаби).
Средњи задатак: Наведите кључне особине фотона који настаје стимулисаном емисијом у поређењу са фотоном који је ту емисију изазвао. Који значај то има за практичну примену?
Фотон настао стимулисаном емисијом има:
- исту фреквенцију (енергију),
- исту фазу,
- исти правац и смер простирања,
- исту раван поларизације као упадни фотон.
Тешки задатак: Према Ајнштајновој теорији, вероватноће апсорпције и стимулисане емисије појединачног атома у истом пољу зрачења су потпуно једнаке. Објасните како је онда могуће постићи да светлост проласком кроз ласерски медијум буде појачана, а не ослабљена.
Укупан број прелаза зависи не само од вероватноће појединачног прелаза, већ и од укупног броја атома на одговарајућем енергијском нивоу.
Укупан број апсорпција је пропорционалан броју атома у нижем стању (\(N_1\)), док је укупан број стимулисаних емисија пропорционалан броју атома у вишем стању (\(N_2\)).
Да би дошло до појачања светлости, потребно је да број стимулисаних емисија буде већи од броја апсорпција, што се постиже стварањем стања где је \(N_2 > N_1\) (тзв. инверзија насељености).
Укупан број апсорпција је пропорционалан броју атома у нижем стању (\(N_1\)), док је укупан број стимулисаних емисија пропорционалан броју атома у вишем стању (\(N_2\)).
Да би дошло до појачања светлости, потребно је да број стимулисаних емисија буде већи од броја апсорпција, што се постиже стварањем стања где је \(N_2 > N_1\) (тзв. инверзија насељености).
