Лазеры

В основу действия оптического квантового генератора или лазера положен принцип усиления света в активной среде лазера за счет внутреннего (индуцированного) излучения. При прохождении электромагнитного излучения через вещество, возможны три вида переходов атомов из одного энергетического состояния в другое (рис.18.4).

1. Возбуждение атомов электромагнитным излучением с нижнего энергетического уровня с энергией Е₁ на верхний с энергией Е₂. Оно сопровождается поглощением падающих квантов, интенсивность излучения при прохождении через вещество уменьшается.

Е ₂ Е ₂ Е ₂

hn

hnhnhn

hn

Е ₁ Е₁ Е₁

1. Возбуждение 2. Спонтанное излучение 3. Вынужденное излучение

Рис.18.4

2. Спонтанное(самопроизвольное) излучение возбужденных атомов при переходе с верхнего энергетического уровня с энергией Е ₂на нижний уровень с энергией Е ₁. Частота испущенного кванта n такая же, как частота поглощенного при возбуждении кванта, но направление распространения и фаза колебаний излучения произвольны.

3. Вынужденное излучение атомов при переходе возбужденных атомов в исходное состояние под действием падающего электромагнитного излучения. С квантовой точки зрения новый квант вынужденного излучения ничем не отличается от кванта, стимулировавшего его появление. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его излучением, интенсивность результирующей электромагнитной волны увеличивается. Следует отметить, что вероятность переходов 1 и 3 одинакова, поэтому преобладание поглощения или вынужденного излучения определяется соотношением числа атомов среды N ₁ и N ₂ в состояниях с энергией Е ₁ и Е ₂.

В условиях термодинамического равновесия, которое чаще всего и реализуется в веществе, населенность N₁ нижнего уровня всегда больше населенности N₂ верхнего уровня. Поэтому электромагнитная волна теряет больше энергии, чем приобретает, интенсивность излучения уменьшается.

Однако в некоторых случаях можно создать такие условия, когда возникает, так называемая, инверсная населенность уровней (N ₂ > N ₁), среда с такой населенностью называется активной. В такой среде вынужденные переходы (Е ₂ ® Е ₁) происходят чаще, чем возбуждение атомов, интенсивность излучения возрастает. Для того чтобы обеспечить инверсную населенность в активной среде, необходимо устройство для возбуждения среды, устройство, которое поставляет энергию для возбуждения атомов среды.

Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. В условиях равновесия N ₁ > N ₂ .

Обычно в лазерах используется так называемая трехуровневая система создания активной среды (рис.18.5). Атомы среды возбуждаются каким либо воздействием и переходят из основного состояния с энергией Е ₁ в возбужденное состояние с энергией Е ₃. На уровне 3 атом живет очень мало, порядка 10^-8с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света (энергия при этом передается другим атомам среды). Время жизни в состоянии 2 гораздо больше, порядка 10^-3с, и в этом возбужденном состоянии накапливается большое количество атомов среды. Создается среда с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Каждый фотон, случайно родившийся при переходе 2®1, движется в активной среде и может порождать множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего возникает лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичного фотона.

Первым лазером (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,69мкм) был рубиновый лазер (Т. Мейман, 1960г). Рубин – это красный кристалл оксида алюминия Al₂O₃ с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно ионы хрома в кристалле рубина имеют три уровня энергии, обладающие необходимыми свойствами для создания инверсной населенност

и. С устройством рубинового лазера Вы можете познакомиться, прочитав [2, §96].

В настоящее время разработано много различных типов оптических квантовых генераторов (ОКГ), которые находят широкое применение в научных исследованиях, медицине, разработке новых технологий в производстве. Излучение лазера отличается рядом замечательных особенностей: оно обладает высокой степенью монохроматичности, когерентностью, большой интенсивностью, малой угловой расходимостью.

Важнейшими из существующих типов лазеров являются:

1) твердотельные лазеры (активная среда – твердое тело, например, рубиновый лазер);

2) газовые лазеры (активная среда – газ, например, He-Ne-лазер, CO₂-лазер);

3) жидкостные лазеры (активная среда – жидкое тело);

4) полупроводниковые лазеры (активная среда – полупроводник, такие лазеры используются в лазерных указках).

[2]. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: «Просвещение», 2009 и др. Глава 12.

Тема 19. (2 часа)

Ядерная физика. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерные реакции.

Дата добавления: 2014-01-04