Принципы работы лазера

Спектральный анализ

Спектры поглощения

Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого на­ходятся в невозбужденном состоянии.

Спектр поглощения — это совокупность частот, поглощаемых данным веществом.

Согласно закону Кирхгофа вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света.

Исследование спектров испускания и поглощения позволяет установить качественный состав вещества. Количественное содержание элемента в соединении определяется путем измерения яркости спектральных линий.

Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спек тральным анализом. Зная длины волн, испускаемых различными парами, можно установить наличие тех или иных элементов в веществе.

Этот метод очень чувствителен. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой. Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. С его помощью был изучен состав Солнца и звезд.

В спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии.

Солнце — раскаленный газовый шар (t= 6000 °С), испускающий сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца, где t=2000— 3000 °С.

Корона поглощает из сплошного спектра определенные частоты, а мы на Земле принимаем солнечный спектр поглощения. По нему можно определить, какие элементы присутствуют в короне Солнца.

Он помог обнаружить все земные элементы, а также неизвестный элемент, который назвали гелий. Благодаря спектральному анализу открыто 25 элементов.

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Спектральный анализ можно производить как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения.

Состав сложных смесей анализируется по молекулярному спектру.

В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность перехода атома с высшего энергетического состояния в низшее под влиянием внешнего воздействия - вынужденного излучения. В 1940 г. В. А. Фабрикант указал на возможность использо­вания вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. Отечественные ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо американский ученый Ч. Таунс изобрели квантовый оптический генератор (1954 г.) и получили Нобелевскую премию.

Рассмотрим принцип работы простейшего лазера. При переходе атома из основного состояния, которому соответствует более низкий энергетический уровень, в возбужденное (где энергия, соответственно, выше) происходит поглощение фотона веществом с переходом на более высокий энергетический уровень.

Рис 1. Поглощение фотона

Из возбужденного состояния электрон всегда стремится вернуться в основное, поэтому время его пребывания в таком состоянии чрезвычайно мало – наносекунда. Переход электрона на более низкий энергетический уровень сопровождается излучением кванта света. Такое самопроизвольное излучениепринято называть спонтанным.

Рис 2. Спонтанное излучение

Однако существует и другой вид излучения, открытый Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцированным. Индуцированное излучение происходит тогда, когда электрон в возбужденном состоянии снова подвергается действию внешнего электромагнитного излучения. При этом электрон переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон, когерентный (идентичный по энергии и направлению) фотону, спровоцировавшему данный переход.

Рис 3. Вынужденное излучение

Таким образом, при индуцированном излучении мы уже имеем два абсолютно идентичных (когерентных) фотона, двигающихся в одном направлении.

А теперь представим себе цепочку атомов, вытянутую в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из него, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и направление, что и ударивший. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из них ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона.

Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого, пятого фотона, и т. д. Так в результате незначительного внешнего излучения начнется лавинообразное усиление светового потока. Теоретически коэффициент усиления может достигать огромнейшего значения, и в результате такого усиления будет двигаться большое число фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения. Таким образом, излучение будет когерентным.

Такая схема получения когерентного (синхронного и синфазного) излучения впервые предложена в 1939 г. советским ученым В.А. Фабрикантом и получила название лазер.

Слово является аббревиатурой от английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Мы знаем, что в природе атомы всегда стремятся вернуться к своему основному, невозбужденному состоянию. Поэтому, если число возбужденных атомов меньше или равно числу невозбужденных, то сколько их ни облучай с помощью внешнего источника, никакого усиления света не получится (поскольку число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет превосходить число фотонов, излученных возбужденными). Значит, для усиления света и получения когерентного излучения надо, чтобы возбужденных атомов было больше, чем находящихся в основном, невозбужденном состоянии.

Если мы сможем каким-то образом “переселить” электроны на более высокие уровни, то есть возбудить большинство атомов, то получим так называемую инверсию населенности энергетических уровней. Тогда при облучении вещества будут преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приведет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным или рабочим, а процесс создания инверсной населенности называется накачкой. Методы накачки разнообразны и зависят от типа лазера (твердотельного, жидкостного, газового, ядерного, полупроводникового и т.п.).

Рассмотрим процесс оптической накачки на примере трехуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется потому, что энергетический переход электронов здесь осуществляется благодаря третьему, дополнительному уровню, который называется метастабильным (на рисунке ему соответствует уровень Е2). В отличие от возбужденного состояния (уровень Е3), время жизни атома на этом уровне 10 ^-3 с.

Рис 4. Трехуровневая схема оптической н акачки

Необходимость использования метастабильного уровня объясняется вот чем: при оптической накачке атомы сначала возбуждаются, поглощая свет. Но для этого недостаточно только двух уровней. Какой бы мощной ни была лампа накачки, возбужденных атомов не станет больше, чем невозбужденных.

Поглотив первоначальное излучение, атомы переходят в возбужденное состояние (которому соответствует уровень Е3), из которого тут же спонтанно и без излучения перескакивают на метастабильный уровень Е2, где и накапливаются. Через некоторое время число атомов на уровне Е2 начинает превышать число атомов в основном состоянии, создавая требуемую инверсию населенности.

Рис 5. Схема оптического резонатора

Однако для нормального функционирования лазера такой процесс должен повторяться многократно и регулярно. Для этого активную среду помещают в оптический резонатор (систему, способную породить колебания определенной амплитуды и частоты), который представляет собой систему двух зеркал.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке - зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде когерентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая часть потока отражается обратно. В свою очередь, эти фотоны вызывают вынужденный переход встретившихся на их пути атомов и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следующий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвавший.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает многократное отражение световых волн, распространяющихся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего достигается высокая мощность излучения, поэтому если какой-то внешний источник энергии (относительно слабый) может поддерживать инверсное состояние активной среды, то через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Области применения лазеров весьма разнообразны. Вот неполный список различных областей применения лазеров:

Дата добавления: 2014-01-06