48. Вимушене випромiнювання.Оптичнi квантовi генератори та застосування

Вимушене випромінювання - випромінювання фотона збудженою квантовомеханічною системою під впливом резонансної електромагнітної хвилі.

Термін використовуєть напротивагу спонтанному випромінюванню.

При вимушеному випромінюванні фотон не тільки не поглинається збудженою квантовомеханічною системою, наприклад, молекулою, а викликає перехід цієї системи до стану з меншою енергією, що супроводжується появою ще одного фотона, когерентного із першим.

Вимушене випромінювання - лежить в основі роботи лазера.

Інша назва лазера - оптичний квантовий генератор. Лазер (англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання)  (рос. лазер, англ. laser, нім. Laser m)— пристрій для генерування або підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні (10⁸ Вт/см² для високоенергетичних лазерів). Лазер працює за принципом, аналогічним принципові роботи мазера. Лазери використовуються для зв'язку (лазерний промінь може переносити набагато більше інформації, ніж радіохвилі), різання, пропалювання отворів, зварювання, спостереження за супутниками, медичних і біологічних досліджень і в хірургії.

Застосування генераторiв.Великі можливості відкриваються перед лазерною технікою в біології й медицині. Лазерний промінь застосовується не тільки в хірургії (наприклад, при операціях на сітківці ока) як скальпель, але й у терапії. Інтенсивно розвиваються методи лазерної локації й зв'язку.

49.Газовi лазери.Властивостi лазерного випромiнювання.

Газовий лазер, лазер з газоподібним активним середовищем. Трубка з активним газом поміщається в оптичний резонатор, що полягає в простому випадку з двох паралельних дзеркал. Одне з них є напівпрозорим.

Випущена в якому-небудь місці трубки світлова хвиля при поширенні її через газ посилюється за рахунок актів вимушеного випускання фотонів, що породжують лавину. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, хвиля частково проходить через нього. Ця частина світлової енергії випромінюється Р. л. зовні. Інша ж частина відбивається від дзеркала і дає початок новій лавині фотонів. Всі фотони ідентичні по частоті, фазі і напряму поширення. Завдяки цьому випромінювання лазера може володіти надзвичайно великою монохроматичністю, потужністю і різкою спрямованістю

Властивостi

1)Монохроматичність або висока спектральна щільність потужності (інтенсивності) випромінювання, або значна часова когерентність лазерного випромінювання забезпечують, по-перше, проведення спектрального аналізу з дозволом, що на багато порядків перевищує дозвіл традиційних спектрометрів; по-друге, високий ступінь селективності порушення визначеного сорту молекул у їх суміші

2)Ступінь монохроматичності одномодового газового лазера визначається шириною лінії генерації dn цієї моди, що обумовлена квантовими флуктуаціями, вібраціями, акустичними шумами, коливаннями плазми в активному середовищі і т.д

3)Висока монохроматичність визначає значну спектральну щільність випромінювання

4)Лазери характеризуються високим ступенем поляризованості випромінювання. У цьому виявляються когерентні властивості їх випромінювання.

5)Надзвичайно висока інтенсивність лазерного випромінювання дозволяє сконцентрувати в малому об’ємі значну світлову енергію

6)Однією із надзвичайних властивостей лазерів і лазерного випромінювання є можливість одержання імпульсів пікосекундної і субпікосекундної тривалості. Все це дає можливість вивчати дуже швидкі первинні фотопроцеси в біології прямими, а не непрямими методами, а також багатоступенево збуджувати високі енергетичні стани молекул за час значно менший, ніж час релаксації будь-якого проміжного стану.

7)Обговорюючи властивості лазерного випромінювання, не можна не звернути увагу на одну важливу для застосування властивість – спроможність формувати спекл-картину при відбитті від шорсткуватої поверхні.

50.Елементи квантовоi статистики.Функцiй росподiлу Фермi-Дiрака та Бозе-Ейнштейна.

Квантовая статистика — раздел статистической механики, в котором n-частичные квантовые системы описываются методом статистических операторов комплексов частиц (редуцированными матрицами плотности). Число частиц n может быть произвольным натуральным (конечным) числом или бесконечностью.В узком смысле под квантовой статистикой имеют ввиду статистики Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака.

Статистика Бо́зе — Эйнште́йна определяет распределение тождественных частиц с нулевым или целочисленным спином (таковыми являются, например, фотоны и атомы гелия-4) по энергетическим уровням в состоянии термодинамического равновесия. В 1924 году она была предложена Шатьендранатом Бозе для описания фотонов.

Статистикам Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна подчиняются системы тождественных частиц, в которых нельзя пренебречь квантовыми эффектами. Квантовые эффекты проявляются при значениях концентрации частиц (N/V) ≥ n_q, где n_q — это т. н. квантовая концентрация, при которой среднее расстояние между частицами равно средней волне де Бройля для идеального газа при заданной температуре.

Статистика Фе́рми — Дира́ка в статистической физике — квантовая статистика, применяемая к системам тождественных фермионов (как правило, частиц с полуцелым спином, подчиняющихся принципу запрета Паули, то есть, одно и то же квантовое состояние не может занимать более одной частицы); определяет статистическое распределение фермионов по энергетическим уровням системы, находящейся в термодинамическом равновесии; предложена в 1926 году итальянским физиком Энрико Ферми и одновременно английским физиком Полем Дираком, который выяснил её квантово-механический смысл; позволяет найти вероятность, с которой фермион занимает данный энергетический уровень.