Спонтанное излучение

При включении источника света формируется населенность высокоэнергетических уровней активной среды источника. В отсутствие внешних воздействий на атомы в возбужденном состоянии испускание ими первоначального света обусловлено спонтанным излучением. При спонтанном излучении все события, заключающиеся в переходах атомов из возбужденного состояния в низкоэнергетическое с излучением фотона, происходят независимо. Для источника света с преобладающим спонтанным излучением низка вероятность того, что излученный фотон вступит во взаимодействие с другим атомом в возбужденном состоянии и стимулирует испускание второго фотона. По этой причине спектральная линия источников света этого типа, как правило, достаточно широка и определяется эффектами уширения. Точную ширину линии можно определить, учитывая механические воздействия, а также влияние температуры и давления. Использование в волоконно-оптических датчиках источников с преобладанием спонтанного излучения дает существенные преимущества. Такие приборы характеризуются «низким шумом» и относительно невосприимчивы к оптическим эффектам обратной связи. Низкая оптическая мощность, циркулирующая в активной области, способствует чрезвычайно высокой надежности.

В разделе было рассмотрено спонтанное излучение и спектральное уширение, обусловленное столкновениями, а также температурное уширение. Если плотность потока фотонов, проходящего через возбужденную среду, достаточно велика и превышает пороговую величину, существует высокая вероятность того, что возбужденная среда будет «вынуждена» излучать под воздействием проходящих фотонов. Более того, вновь созданный фотон будет иметь ту же самую фазу и длину волны, что и индуцирующий фотон, в результате чего световой пучок будет когерентным. Эта ситуация аналогична ядерной реакции. Пока скорость спонтанного распада достаточно мала, низка и вероятность того, что нейтрон вызовет вторичную ядерную реакцию, прежде чем будет поглощен. Когда вероятность того, что нейтрон вызовет вторичную ядерную реакцию, превышает единицу, уровень энергии быстро возрастает и стремится к новому равновесному состоянию, при котором высвобождаемая энергия выделяется в результате ядерных реакций и ее выделение ограничено поглощением быстрых нейтронов.

См. также:  Особенность структуры последовательной матрицы из чувствительных элементов

Аналогично, вынужденное излучение становится преобладающим, когда поток фотонов настолько плотный, что высвобождение фотона в результате вынужденного излучения становится более вероятным, чем поглощение фотона. В зависимости от настройки системы в результате может сформироваться или короткий высокоэнергетический импульс, или непрерывный пучок света. Чтобы устройство могло работать в непрерывном режиме с преобладанием на выходе вынужденного излучения, потери, обусловленные излучением света и поглощением, должны быть уравновешены генерацией новых фотонов.