загрузка...

ФИЗИКА: УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СПРАВОЧНИК

РАЗДЕЛ 4. ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

 

4.7.Физика атома

 

4.7.4.Лазер

 

Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура английской фразы Light Ampflication by Stimulated, Emission of Radiation, означающей «усиление света вынужденным излучением») — это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

В обычных источниках света (нагретые тела — лампы накаливания и др.) атомы получают энергию за счет возбуждения валентных электронов, находящихся на внешних электронных оболочках. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома примерно через 10-8-107 с без какого-либо внешнего воздействия, спонтанно (самопроизвольно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются и излучают фотоны независимо друг от друга, поэтому излучаемые ими фотоны некогерентны друг с другом.

Возможными процессами взаимодействия атома с фотоном, энергия которого равна разности энергий основного Е1 и возбужденного Е2 состояний (уровней энергии) атома hv = E2 - E1, являются следующие.

1.   Поглощение света. Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > Е1 (рис. 4.10). Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации n1 атомов, находящихся в основном состоянии.

2.   Спонтанное излучение. В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7 с спонтанно (самопроизвольно) возвращается в основное состояние, излучая фотон (рис. 4.10, б).

Спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, т. к. каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

 

3.   Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света (рис. 4.10, в).

Индуцированное (вынужденное) излучение — излучение атома, возникающее при переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации п2 атомов, находящихся в возбужденном состоянии. При этом световая волна, возникающая при индуцированном излучении, имеет ту же частоту, поляризацию, фазу и направление распространения, что и падающая на атом волна. Это означает, что интенсивность падающего излучения увеличивается, т. е. возникает оптическое усиление.

Принцип действия лазера

В 1939 г. российский физик В. А. Фабрикант наблюдет экспериментально усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения. Российские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский физик Ч. Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, работавший в сантиметровом диапазоне, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физике. Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т. Мейманом.

Усиление излучения, падающего на среду, будет происходить тогда, когда число частиц на возбужденном уровне n2 превысит число частиц на основном уровне энергии: n2 > n1Такое состояние системы называется инверсной населенностью. В состоянии термодинамического равновесия, когда система занимает основное состояние с наименьшей энергией Е1, т. е. когда n1 > n2, усиления света не будет.

Инверсная населенность энергетических уровней — неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Однако спонтанные переходы препятствуют накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильным называется возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться гораздо дольше (например, 10-3 с), чем в обычном возбужденном состоянии (10-8 с).

На этом основан принцип действия рубинового лазера. Рубин, используемый в качестве активного элемента в лазере, представляет собой монокристалл Аl2O3, в котором часть ионов алюминия замещена ионами Сr3.

С помощью лампы-вспышки (оптической накачки) ионы хрома переводятся из основного состояния Е1 в возбужденное — E3(рис. 4.11). Через 10-8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят из возбужденного состояния Е3 в метастабильное состояние Е2 < Е3, в котором начинают накапливаться. Малая вероятность перехода с этого уровня на основной приводит к инверсной заселенности (n2 > n1) этого уровня. Случайный фотон с энергией hv = E2 – E1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов. Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического монокристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

В настоящее время существует много различных типов и конструкций лазеров.

 

Лазерное излучение обладает следующими особенностями:

1)       исключительной монохроматичностью и когерентностью;

2)       пучок света лазера имеет очень малый угол расхождения (около 10-5 рад);

3)       лазер — наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

 





загрузка...

загрузка...