Спонтанное излучение

За исключением специального класса веществ — сегнетоэлек-триков, обладающих способностью спонтанной поляризации, диэлектрическая восприимчивость не зависит от напряженности поля вплоть до значений напряженности, близких к пробивной прочности диэлектрика. У неоднородных диэлектриков величина а является функцией координат; для анизотропных диэлектриков, у которых направления векторов Р и Е могут не совпадать, поляризуемость оказывается тензорной величиной.

Дипольная поляризация. На процессы поляризации большое влияние оказывает структура молекул. Во многих диэлектриках в различном агрегатном состоянии — и в газообразных, и в жидких, и в твердых — молекулы обладают электрическим дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля. У таких молекул центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга на некоторое расстояние, они представляют собой диполи, аналогичные диполю, показанному на 2-1. Дипольные молекулы самопроизвольно поляризованы без. воздействия электрического поля — спонтанно. Причиной такой спонтанной поляризации является несимметричная структура молекул.

• образование спонтанной поляризации внутри мельчайших объемов вещества при температуре ниже так называемой точки Кюри;

Направления спонтанной поляризации внутри отдельных объемов поликристалла различны и вначале имеют статистическое распределение, поэтому материал внешне изотропен и не проявляет пье-зоэффекта. Если создать, однако, между электродами постоянное электрическое поле, то появится направление предпочтительной ориентации диполей, которое подобно . полярной оси монокристалла. Наведенный пьезоэффект может также описываться уравнением (3.75).

• пироэлектрические явления,обусловленные прежде всего температурной зависимостью спонтанной'поляризации; пироэлектрические явления с помощью определенных мер [123] могут быть уменьшены почти на два порядка величины, но, нес-смотря на это, они очень мешают при квазистатических измерениях.

Электрическая индукция, равная полю в вакууме Е0 для сегнето-электрика, при направлении внешнего поля, совпадающего с направлением вектора электрического момента спонтанной поляризации /0, равна: • '

•У диэлектриков с искаженной решеткой и неплотной упаковкой ионов, таких как муллит, кордиерит, циркон, отмечается повышенный tg б, который имеет температурный рост за счет релаксационных потерь. У сегнетоэлектриков, характеризующихся большой зависимостью спонтанной поляризации, от температуры, диэлектрические потери велики и снижаются лишь при температурах выше точки Кюри. К этим диэлектрикам относятся титанаты бария, стронция, лития, кальция. Зависимость tg6 от температуры для сегнетоэлектриков показана на 1.13. ' . •

В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом Е отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего голя способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень силь-юй поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания кнтенсивности поляризации. Поэтому диэлектрическая проницаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля. В температурной зависимости ег наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются значительным рассеянием энергии, т. е. выделением теплоты.

Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках, связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнето-алектриках значительны при температурах ниже точки Кюри, когда наблюдается спонтанная поляризация. При температурах выше точки Кюри потери в сегнетоэлектриках уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.

Спонтанная поляризация представляет собой направленную в отношении внешнего электрического поля ориентацию электрических моментов, расположенных хаотически в отдельных областях кристалла (доменах) до наложения электрического поля. Спонтанная поляризация связана со значительным рассеиванием энергии. Особенность спонтанной поляризации состоит в нелинейной зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля и наличия максимума при некоторой температуре. Спонтанной поляризацией обладает ряд кристаллов определенной структуры, например ВаТЮ3 и некоторые другие вещества, кристаллизующиеся в кубической системе перовскита.

При дальнейшем увеличении напряженности поля будет достигнуто такое состояние, при котором все домены будут ориентированы в одном положительном направлении (отрезок ВС). Если теперь постепенно уменьшать напряженность электрического поля Е, кривая не.. совпадает с кривой поляризации, а будет изменяться по кривой СД. При уменьшении поля до нуля домены не возвратятся в исходное состояние, а останутся в ориентированном положительном направлении состоянии. Отрезок ОД будет представлять остаточную поляризацию. Отрезок ОЕ — величина спонтанной поляризации или то же самое, что поляризации насыщения.

Остановимся на работах известного советского физика В. А. Фабриканта, впервые экспериментально обнаружившего усиление светового излучения. Схема его эксперимента показана на 30. Пропуская кванты света с фиксированной частотой v через возбужденную систему, схема уровней Е1 и ?2 которой позволила получать ту же частоту, т. е. Е1 — ?2 = hv, он впервые наблюдал усиление светового потока. Действительно, при возбуждении системы часть составляющих ее частиц перейдет с уровня / на уровень 2.Если источник света ИС отсутствует, то наблюдалось бы только спонтанное излучение системы, которое было бы направлено равномерно во все стороны. Если же через возбужденную систему проходит излучение с той же частотой v, то, как это следует из уравнения, приведенного на с. 60, возникает вынужденное излучение Б21 u (v)dt, зависящее от мощности источника и (v) и направленное в ту же сторону,что и излучение, вызвавшее его. При этом речь идет только об усилении.

Излучательная рекомбинация носителей заряда может произойти без электромагнитного воздействия, т. е. самопроизвольно. Такую рекомбинацию называют самопроизвольной или спонтанной. Так как спонтанное излучение случайно и имеет статистический характер, то оно некогерентно. Это обусловлено тем, что акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени.

Рассмотрим с точки зрения когерентности спонтанное излучение,, испускаемое, например, тепловыми источниками света. Для таких источников характерно следующее: а — отдельные атомы испускают фотоны самопроизвольно, независимо друг от друга, на волновом языке фотонам можно сопоставить «отрезки» волн, которые называют обычно цугами, цуги от отдельных атомов не коррелированы друг с другом; б — излучение атомов изотропно, т. е. происходит практически с равной вероятностью во всех направлениях. Эти два обстоятельства и обусловливают низкие когерентные свойства спонтанного излучения.

1 — спонтанное излучение, 2 — стимулированное излучение; /пор— пороговый ток

диод, испуская спонтанное излучение с равномерной плотностью во всех на-ттравлениях (в телесном угле гк 4 п рад.). Лучи, не попавшие на отражающие грани кристалла, полностью поглощаются в нем. Кроме того, лучи, упавшие на эти грани под углом а > 17°, испытывают полное внутреннее отражение и в конечном счете также поглощаются в кристалле. Поэтому из светодиода выходит всего я=2% излучения, возникшего в нем в результате излучательной .рекомбинации.

Когда внешнее электромагнитное поле отсутствует, может происходить самопроизвольное электромагнитное излучение, называемое спонтанным излучением. Если на микросистему воздействует внешнее электромагнитное поле с частотой квантового перехода, то спонтанное излучение происходит по-прежнему, причем фазы испускаемого излучения не зависят от внешнего электромагнитного поля. Переходы, вызванные внешним электромагнитным полем с частотой квантового перехода, сопровождаются излучением, находящимся в определенном фазовом соотношении с внешним полем. Этот процесс называется вынужденным или индуцированным излучением.

Спонтанные (самопроизвольные) процессы возбуждения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в основное состояние, на нижние уровни энергии, они излучают свет ( 60.61). При спонтанных переходах атомы излучают свет независимо один от другого, поэтому спонтанное излучение некогерентно.

При вынужденном (индуцированном) излучении атомы излучают под действием внешнего электромагнитного поля, например световых колебаний, частота которых совпадает с одной из собственных частот энергетического спектра атома. Вынужденное излучение дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким образом усиливать и генерировать когерентный свет. Кроме указанного резонанса частот падающего и электрического спектра атома, необходимо обеспечить так называемую инверсию населенностей уровней, между которыми происходит разрешенный переход, т.е. превышение числа атомов на верхнем уровне над числом атомов на нижнем уровне. Этому процессу препятствует резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень, а также спонтанное излучение, уменьшающее населенность верхнего уровня. Среднее время жизни атома в возбужденном состоянии со-

Излучательные квантовые переходы могут быть спонтанными (самопроизвольными) или вынужденными (индуцированными) внешним электромагнитным полем. Спонтанное излучение слагается из не связанных между собой излучений отдельных частиц. Ни начальные фазы, ни направления излучаемых фотонов не корре-лированы между собой. Суммарное излучение некогерентно — его фронт хаотически изменяется в зависимости от времени и от расстояния.

Спонтанное излучение, носящее некогерентный, беспорядочный характер, обусловливает шум квантовых приборов. Усиление и ге-лерация электромагнитных сигналов всецело основаны на использовании когерентного, узкополосного вынужденного излучения. •Согласно (7.15) доля спонтанного излучения резко возрастает при увеличении частоты. Низким уровнем спонтанного излучения на радиочастотах объясняется возможность создания высокочувствительных усилителей с крайне малыми шумами. Поскольку вероят-

Рассмотрим условия, при которых в квантовых приборах возможны усиление и генерация электромагнитных колебаний. Пусть квантовая система обладает только двумя энергетическими уровнями Wi и W2, причем W2>Wi. Населенности этих уровней при условии теплового равновесия составляют N\ и N2. Поскольку спонтанное излучение обусловливает шумы квантовых приборов и не несет никакой полезной информации, ниже рассмотрим лишь вынужденное излучение и поглощение. Релаксационными процессами также пренебрегаем.