Принцип работы и устройство лазеров - раздел Физика, КВАНТОВАЯ Вынужденное Излучение Было Положено В Основу Усилителей Электромагнитного Изл...
Вынужденное излучение было положено в основу усилителей электромагнитного излучения. Советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, и независимо от них американец Ч. Таунсон, в 50-е годы XX века создали первый квантовый молекулярный усилитель микроволнового излучения мазер (maser – microwave amplification by stimulated emission of radiation). За свое изобретение эти ученые были удостоены Нобелевской премии. При обычных температурах большинство атомов будут находиться в основном состоянии, и поэтому вероятность поглощения будет гораздо выше вероятности вынужденного излучения. Следовательно, основной проблемой при получении усиления излучения является создание в системе инверсной заселенности. Создатели квантового усилителя догадались использовать в качестве активной среды молекулярные вещества, обладающие довольно сложной системой уровней.
Чуть позже Т. Мейманом был создан аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне – лазер (laser – light amplification by stimulated emission of radiation). Средой, где происходило усиление излучения, являлся рубин. Устройство представлено на рис. 9.3, оно содержит небольшой рубиновый стержень (длиной порядка 10 см и диаметром порядка 1 см), помещенный в газонаполненную спиральную импульсную лампу. Полированные торцы рубинового стержня перпендикулярны его оси. Рубин представляет собой прозрачный кристалл Al2O3, содержащий небольшое число (примерно 0.05%) атомов хрома.
Именно хром ответственен за красный цвет рубина, так как ионы хрома Сг3+ интенсивно поглощают излучение в синей и зеленой областях видимого спектра и хорошо отражают в красном диапазоне. При включении газовой импульсной лампы (заполненной ксеноном или парами ртути) возникает интенсивное световое излучение длительностью в несколько миллисекунд – это излучение называют излучением накачки.
Рис. 9.3. Устройство рубинового лазера
Переход с уровня Е1 непосредственно на уровень Е2 под действием излучения накачки не происходит, так как величина кванта hν не равна разнице энергий Е2 – Е1. Возбуждение уровня кристалла Е2, необходимое для дальнейшего излучения, происходит «обходным путем» через возбуждение ионов хрома. Ионы хрома поглощают излучение лампы и переходят на так называемые уровни накачки Е3, показанные на рис. 8.4. Затем возбужденные ионы хрома отдают свою энергию кристаллу Al2O3 за счет быстрых безызлучательных переходов. При этом электроны попадают на уровень (обозначенный Е2 на рис. 9.4), лежащий примерно на 1.8 эВ выше основного состояния.
Рис. 9.4. Энергетическая схема ионов хрома в кристалле рубина
При переходе системы в основное состояние произойдет спонтанный переход Е2 → Е1, в результате которого возникнет квант света. Если вспышка излучения лампы достаточно сильна, то в состояниях Е2 окажется больше атомов, чем в основном состоянии, что и означает возникновение инверсной заселенности. Тогда фотоны, появившиеся при спонтанном переходе Е2 → Е1, могут спровоцировать в кристалле вынужденное излучение, которое в свою очередь вызовет новые вынужденные переходы в других участках кристалла – количество фотонов, распространяющихся в кристалле будет лавинно расти.
Излучение описанного лазера имеет импульсный характер, т.е. после каждого импульса лампы, отвечающей за накачку, возникает вспышка лазерного излучения, состоящая из ряда импульсов, общая продолжительность которых равна нескольким микросекундам. Частота вспышек в импульсном режиме составляет несколько вспышек в минуту. Существуют лазеры, работающие в непрерывном режиме. По типу вещества активной среды лазеры делят на твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. В зависимости от метода создания инверсной заселенности различают лазеры с оптической, тепловой, химической, электроионизационной и др. накачкой.
В любом случае для лазера характерен узкий мощный пучок излучения. Физическая причина этого свойства заключается в особенности вынужденного излучения – каждый распространяющийся в активной среде фотон несколько раз «клонирует» сам себя в актах вынужденного излучения, т.е. приводит к появлению точно таких же фотонов (с такой же частотой, направлением распространения, поляризацией, фазой). Кроме того, устройство лазера имеет еще один нюанс – торцы рубинового стержня стачивают под прямым углом и покрывают серебром: с одной стороны слоем со 100% отражающей способностью, а с другой – пропускающей около 1%. Благодаря такой конструкции, которую называют оптическим резонатором, фотоны многократно проходят через активную среду, лавинно увеличивая свое число посредством вынужденного излучения. В итоге, когда число фотонов увеличится, выходной пучок будет представлять собой поток огромного числа одинаково направленных фотонов с высокой степенью монохроматичности. Диаметр пучка будет определяться в основном диаметром активной среды (т.е. диаметром рубинового стержня), а поскольку все фотоны распространяются параллельно друг другу, то расхождение пучка будет очень малым.
Итак, основными свойствами лазерного излучения является:
1) монохроматичность;
2) пространственная и временная когерентность;
3) малое расхождение пучка излучения;
4) большая мощность.
Особые свойства лазерного излучения определяют сферы его применения. Когерентность лазерного излучения позволила осуществить голографическую запись изображения. Узкая направленность и малое угловое расхождение лазерного пучка делают его уникальным хирургическим инструментом (например, для уничтожения раковых клеток или приваривания отслоившихся участков сетчатки глаза). Лазеры применяют на современных производствах для точной резки деталей любой сложности. Лазеры используют также в поисковых работах, требующих точного определения координат, при измерениях больших расстояний. Воспользовавшись зеркалом, установленным астронавтами на Луне, удалось определить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Лазерные пучки используются в работах по ядерному синтезу. Фокусируя пучок с высокой энергией на крошечной дейтерий-тритиевой таблетке, можно нагреть ее за очень короткое время до температур, необходимых для начала ядерного синтеза и выделения энергии (порядка 108 К).
Вариантов применения лазеров очень много, с каждым годом, одновременно с усовершенствованием устройства лазеров, возможности их использования расширяются. Помимо рубиновых лазеров, создано много других твердотельных лазеров с длиной волны излучения от 18 нм (мягкое рентгеновское излучение) до 3900 нм (инфракрасное излучение). Созданы лазеры непрерывного действия с мощностью генерации 1 кВт и выше, а импульсные лазеры излучают пучки наносекундной длительности и мощностью 109 Вт. Крошечные диодные или полупроводниковые лазеры способны развивать мощность около 200 мВт. Существуют лазеры, длина волны излучения которых может меняться (перестраиваться) в соответствии с практической необходимостью.
Воронежский государственный технический университет...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Принцип работы и устройство лазеров
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Свойства теплового излучения
С античных времен известно, что вещества, нагретые до достаточно высокой температуры, приобретают способность светиться. Например, раскаленные жидкие и твердые тела испускают белый свет, обладающий
Функция Кирхгофа. Абсолютно черное тело
Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2π), называют энергетической светимостью тела R, которая является
Закон смещения Вина
К 1884 г. Стефан, основываясь на экспериментальных данных, и Больцман из теоретических соображений получили, что энергетическая светимость RT абсолютно черного тела, связанная с и
Теория Планка
Для того, чтобы устранить ошибку, ученым пришлось кардинально изменить взгляд на природу излучения. Первым это сделал Макс Планк. После долгих расчетов, чтобы получить желаемый и напрашивающийся ре
Фотоэффект
Наряду с законами теплового излучения в конце XIX в. было открыто оптическое явление, не укладывающееся в рамки законов классической физики. Это явление фотоэлектрического эффекта или просто фотоэф
Энергия, масса и импульс фотона. Давление света
Фотоэффект показывает, что электромагнитное излучение способно вести себя как частица – фотон. При поглощении, испускании или взаимодействии фотона с любыми частицами можно использовать те же закон
Эффект Комптона
Наличие у света корпускулярных свойств также подтверждается комптоновским рассеянием фотонов. Эффект назван в честь открывшего в 1923 г. это явление американского физика Артура Холли Комптона. Он и
Теория атома Бора
Со времен Древней Греции вплоть до конца XIX в. считалось, что все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, которые являются неделимыми частицами материи, «кирпичиками мироздания». Всякое проявл
Волновые свойства вещества. Гипотеза де Бройля
Размышляя над свойствами света и микрочастиц, французский физик Луи де Бройль пришел к выводу, что «Корпускулярно-волновой дуализм Эйнштейна носит всеобщий характер и распространяется на все физиче
Принцип неопределенности Гейзенберга
И свет, и микрочастицы в любой момент одновременно являются и частицей и волной. Только в некоторых случаях одно из свойств выражено меньше. Например, для электромагнитной волны частотой меньше 10
Волновая функция
Итак, микрочастицы не подчиняются законам классической механики, их поведение нельзя описать принятыми в классической физике способами. Этот факт заставил ученых создать новую теорию. Новая механик
Уравнение Шредингера
Итак, состояние системы описывается волновой функцией Ψ, которая определяется конфигурацией системы и конкретным видом силового поля, в котором она находится. Найти волновую функцию час
Уравнение Шредингера для свободной частицы
Рассмотрим свободно движущуюся частицу. И если волновой функцией фотона является плоская световая волна, для частиц волновая функция является плоской волной де Бройля, (см. раздел 4).
Для
Стационарное уравнение Шредингера
Если силовое поле, в котором движется частица, стационарно (т.е. постоянно во времени), то функция U не зависит явно от t. В этом случае решение уравнения Шредингера распадается на дв
Уравнение Шредингера для частицы в потенциальной яме
Нахождение электрона в поле ядра можно приближенно считать движением в трехмерной потенциальной яме. Высота этой ямы определяется величиной кулоновского поля ядра.
Рассмотрим простейший сл
Туннельный эффект
Рассмотрим движение частицы при прохождении потенциального барьера. Пусть она движется слева направо и встречает на своем пути потенциальный барьер высотой U0 и шириной
Гармонический осциллятор. Фононы
Для описания классических и квантовых систем часто используют модель гармонического осциллятора. Линейным гармоническим осциллятором называют систему, совершающую одномерное колебательное дв
Главное квантовое число
Рассмотрим в качестве модельной простейшую систему, состоящую из неподвижного ядра с зарядом Z = 1 и одного электрона, т.е. атом водорода. Аналогичным образом будут описываться так называемы
Орбитальное и магнитное квантовые числа
Параметры l и m представляют собой азимутальное (или орбитальное) и магнитное квантовые числа. Поясним их появление. Рассмотрим стационарное уравнение Шредингера (в дека
Правила отбора. Спектры атомов
Знаем, что испускание и поглощение света происходит при переходах электрона с одного уровня на другой. При этом атом может поглотить или испустить только фотон с энергией, равной разности энергий с
Собственный момент электрона
Итак, атом обладает механическим моментом импульса, и его существование влияет на спектры атомов. Поскольку в состав атома входят заряженные частицы, то при рассмотрении их движения необходимо учит
Принцип Паули
В случае более сложных, чем водород, атомов, имеющих несколько электронов, можно считать, что каждый электрон движется в усредненном поле ядра и остальных электронов. Это поле уже не является пропо
Эффект Зеемана
Зная полный магнитный момент атома, можно определить влияние внешнего магнитного поля на его спектр. Происходящее под действием внешнего магнитного поля расщепление энергетических уровней атомов на
Виды молекул
Для понимания природы химической связи, обуславливающей образование молекул из атомов, а также кристаллов, необходимо рассмотреть квантовомеханическую модель атома с учетом волновых свойств электро
Спонтанное и вынужденное излучение
Существование любой микросистемы (атома, молекулы, потока частиц) – это многократное изменение полной энергии этой системы в результате ее взаимодействия с другими системами. Изменение полной энерг
Статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака
Изучаемые в курсе классической молекулярной статистической физики частицы, можно было рассматривать как упругие шарики. При этом каждую из тождественных частиц можно было отличить от других – как б
Образование энергетических зон
Все кристаллические тела представляют собой упорядоченное скопление огромного количества атомов. Идеальная кристаллическая решетка состоит из многократно повторяющихся тождественных элементарных яч
Собственная проводимость
Рассмотрим квантовую теорию проводимости различных веществ. Напомним, что проводимостью называется способность носителей заряда осуществлять направленное движение согласно приложенному элект
Примесная проводимость
Электрические и оптические свойства примесных полупроводников зависят от природных или искусственно введенных примесей. Разумеется, для эффективного управления свойствами материала необходим
Квантовая теория проводимости металлов
Рассмотрим процесс проводимости с квантовой точки зрения. В предыдущей лекции было сказано, что при объединении атомов в кристаллическую решетку происходит снижение высоты стенок потенциального бар
Сверхпроводимость
В области низких температур наблюдается явление сверхпроводимости – резкого падения сопротивления материала. Впервые это явление было обнаружено в 1911 г. Камерлингом-Оннесом для ртути при температ
Состав и характеристики атомных ядер
Ядро любого атома, кроме атома легкого водорода, состоит из частиц – нуклонов двух типов: Z протонов и N нейтронов. Нейтрон был открыт в 1932 г. Джеймсом Чэдвиком, тогда же Кар
Ядерные силы
Упомянутые ядерные силы характеризуют одно из фундаментальных взаимодействий, которое получило название сильного взаимодействия. Существует 4 вида фундаментальных взаимодействий – по порядку
Образование ядер. Дефект масс
Рассмотрим процесс образования ядра. Природа образования любого ядра такова, что масса стабильного ядра всегда меньше суммы масс составляющих это ядро нуклонов.
Например, ядро дейтерия, на
Закон радиоактивного превращения
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. В процессе такого превращения у ядра могут измениться ка
Альфа-распад
Альфа-распадом называется процесс самопроизвольного испускания ядром α-частиц, которые по своей природе являются ядрами атомов гелия
Бета-распад
Бета-распад – процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар (ядро с тем же атомным номером) с зарядом, отличным от исходного на ΔZ = ± 1, за счет испускания эле
Спонтанное деление тяжелых ядер. Гамма-излучение
Процесс спонтанного деления тяжелых ядер был обнаружен в 1940 г. советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаковым. Ими было установлено, что без какого-либо внешнего воздействия ядра урана само
Вынужденные ядерные процессы
Ядерной реакцией называют процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, приводящий к преобразованию ядра (или нескольких ядер). Реакция возникает при сближении реаги
Реакция деления ядра
В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана тепловыми нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан (тепловыми называются
Реакция синтеза атомных ядер
Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромного количества энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высоки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем пособии были рассмотрены основные вопросы квантовой физики - квантовая природа электромагнитного излучения, физика атомов, молекул, кристаллических тел и ядер, представлены элементы ква
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Савельев И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. М.: Наука, 1989. Т. 1 – 3.
2. Типлер П. А.Современная физика: пер. с англ.: в 2-х т. / П. А. Типлер, Р. А. Ллуэллин: Т.
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов