Вказівки на теоретичний матеріал

4.1 Поглинання. Самовільне та вимушене випромінювання (Л.1.,с434)

4.2 Оптичні квантові генератори (Л1.,с436)

Теорія.

Поглинені атоми можуть знаходитися лише у квантових станах із дискретними значеннями енергії Е₁, Е₂,....Е_n. Заради простоти розглянемо тільки два з цих станів (1 і 2) з енергіями Е₁ і Е₂. Якщо атом знаходиться в основному стані 1, то під дією зовнішнього випромінювання може здійснитися в змушений перехід стан 2 (рис. 1а), що призводить до поглинання. Ймовірність подібних переходів пропорційна щільності випромінювання, що викликає ці переходи.

Атом, який знаходиться у збудженому стані 2, може через деякий проміжок часу спонтанно, без яких-небудь зовнішніх впливів, перейти в стан із нижчою енергією (у нашому випадку в основне), віддаючи надлишкову енергію у вигляді електромагнітного випромінювання (випускати фотон з енергією = Е₂ - Е₁).

Процес випускання фотона збудженим атомом (збудженою мікросистемою) без зовнішніх впливів називається спонтанним (або довільним) випромінюванням (рис. 1б). Чим більше ймовірність спонтанних переходів, тим менше середній час життя атома в збудженому стані. Тому що спонтанні переходи взаємно не зв’язані, то спонтанне випромінювання некогерентне. Якщо на атом, що знаходиться у збудженому стані 2, діє зовнішнє випромінювання з частотою, що задовольняє умові

= Е₂ - Е₁ , то виникає змушений (індукований) перехід в основний стан 1 із випромінюванням фотона і тієї ж енергії = Е₂ - Е₁ (рис. 1в). При подібному переході відбувається випромінювання атомом фотона додаткового до того фотону, під дією якого відбувся перехід. Виникаюче в результаті таких переходів випромінювання називається змушеним (індукованим) випромінюванням.

 

 

Поглинання Спонтанне

Випромінювання випромінювання

а) б)

Рис. 1

Змушене випромінювання

 

 

Рис.1 (в)

 

Таким чином, процес змушеного випромінювання залучені два фотона: первинний фотон, що викликає випускання випромінювання збудженим атомом і вторинний фотон, який випущено атомом. Істотно, що повторно фотони не відрізняються від первинних, приходячи точною їхньою копією. Змушене випромінювання строго когерентне з випромінюванням, що змушує.

Випущені фотони, рухаючись в одному напрямку і зустрічаючи інші збуджені атоми, стимулюють подальші індуковані переходи, і число фотонів росте лавиноподібно. Проте поряд із змушеним випромінюванням можливий і конкуруючий процес—поглинання. Тому для посилення падаючого випромінювання необхідно, щоб число актів змушеного випромінювання фотонів (воно пропорційно заселеності збуджених станів) перевищувало число актів поглинання фотонів (воно пропорційно заселеності основних станів). У системі атомів, яка знаходиться у термодинамічній рівновазі, поглинання падаючого випромінювання, буде переважати над вимушеним, тобто падаюче випромінювання при проходженні через речовину буде послаблюватися.

Щоб середовище посилювало падаюче на нього випромінювання, необхідно створити нерівновісний стан системи, при якому число атомів у збуджених станах було б більше, чим їхнє число в основному стані. Такі стани називаються станами з інверсією населеностей. Процес створення нерівновісного стану речовини (переклад системи в стан з інверсією населеностей) називається накачуванням. Накачування можна здійснити оптичними, електричними й іншими засобами.

Оптичний квантовий генератор:

Практично інверсний стан середовища здійснено в принципово нових джерелах випромінювання – оптичних квантових генераторах, або лазерах.

Найважливішими з існуючих типів лазерів є твердотільні, газові, напівпровідникові і рідинні (в основу такого розподілу призначений тип активного середовища).

Лазер обов’язково має три основних компоненти:

1) Активне середовище, у якому створюються стани з інверсією населеностей;

2) Системи накачування (пристрій для створення інверсії в активному середовищі);

3) Оптичний резонатор (пристрій, що виділяє в простір виборчий напрям пучка фотонів і формуючий вихідний світловий пучок).

Першим твердотільним лазером (1960; США), що працює в видимій області спектра (довжина хвилі випромінювання 0,6943 мкм), був рубіновий лазер (Т. Мейман (р.1927)). У ньому інверсна населеність рівнів здійснюється по трьохрівневій схемі, запропонованій в 1955 р. Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим. Кристал рубіна являє собою окис алюмінію Al₂O₃, у кристалічній решітці якого деякі з атомів Al заміщені тривалентними іонами Cr³⁺¹ (0,03 і 0,05% іонів хрому відповідно для рожевого і червоного рубіна). Для оптичного накачування використовується імпульсна газорозрядна лампа. При інтенсивному опроміненні рубіна світлом потужної імпульсної лампи атоми хрому переходять із нижнього рівня 1 на рівні широкої смуги 3 (рис. 2). Тому що час життя атомів кульгає в збуджених станах мало (менше 10^-7 с), то здійснюються або спонтанні переходи 3-1 (вони незначні), або найбільше ймовірні безвипромінювальні переходи на рівень 2 (він називається метастабільним) із передачею надлишку енергії гратам кристалу рубіна. Перехід 2-1 заборонений правилами добору, тому тривалість збудженого стану 2 атомів хрому порядку 10^-3 с, тобто приблизно на чотири порядки більше, ніж для стана 3. Це веде до „накопичення” атомів хрому на рівні 2. При достатній потужності накачування їхня концентрація на рівні 2 буде набагато більше, ніж на рівні 1, тобто виникає середовище з інверсійною населеністю рівня 2.

Кожний фотон, що випадково народився при спонтанних переходах, може індицювати (породжувати) в активному середовищі багато змушених переходів 2-1, у результаті чого з’являється ціла лавина вторинних фотонів, що є копія первинних. Таким чином, породжується лазерна генерація. Проте спонтанні переходи носять випадковий характер, і фотони, що спонтанно народжуються, випускаються в різних напрямках. Тим самим у самих різних напрямках поширюється і лавини повторних фотонів. Отже, випромінювання, що складається з подібних лавин, не може мати високі когерентні властивості.

Для виділення напрямку лазерної генерації використовується принципово важливий елемент лазера - оптичний резонатор. У найпростішому випадку їм служить пара повернутих один до одного (або увігнутих) дзеркал на загальній оптичній осі, між якими міститься активне середовище (кристал або кювету з газом). Як правило, дзеркала виготовляються так, що від одного з них випромінювання цілком відбувається, а друге - полупрозоре. Фотони, що рухаються під кутами до осі кристала або кювети, виходять з активного середовища через її бічну поверхню. Ті ж із фотонів, що рухаються вздовж осі, багаторазово відіб’ються від протилежних торців, щораз викликаючи змушене випромінювання, і т.д. Тому що фотони, що виникли при змушеному випромінюванні, рухаються в тому ж напрямку, що і первинні, то потік фотонів, рівнобіжний осі кристала або кювети, буде лавиноподібно наростати. Багаторазово посилений потік фотонів виходить через напівпрозоре дзеркало, створюючи строго спрямований світловий промінь величезної яскравості. Таким чином, оптичний резонатор „з’ясовує” напрямок (уздовж осі), що посилюється фотонним потоком, формулюючи тим самим лазерне випромінювання з високими когерентними властивостями. Лазерне випромінювання має такі властивості:

1. тимчасове і просторова когерентність;

2. монохроматичність (Dl<10¹¹ м);

3. велика щільність потоку енергії;

4. дуже мала кутова розбіжність променя.

 

Наприклад, при використанні спеціального фокусування променя лазера, спрямований із Землі, дасть на поверхні Місяця світлову пляму діаметром приблизно 3 км (промінь прожектора освітив би поверхню діаметром приблизно 40000 км).

Рис. 2

Ккд лазерів коливається у широких межах від 0,01% (для гелій-неонового лазера) до 75% (для лазера на склі з неодимом), хоча в більшості лазерів ккд складає0,1-1%. Створено потужний СО₂-лазер, що генерує інфрачервоне випромінювання (l=10,6 мкм), ккд якого (30%) перевищує ккд існуючих лазерів, що працюють при кімнатній температурі.

Застосування лазерів для опрацювання, різання і мікрозварки твердих матеріалів надається економічно більш вигідним (наприклад, пробивання каліброваних отворів у діаманті лазерним променем скоротило час із 24 ч до 6-8 хв). Лазери застосовуються для швидкісного і точного виявлення дефектів у виробах, для найтонших операцій (наприклад, промінь СО₂-лазера в якості безкровного хірургічного ножу), для дослідження механізму хімічних реакцій і впливу на їхній хід, для одержання зверхчистих речовин. Широко застосовується лазерний поділ ізотопів, наприклад, такого важливого в енергетичному відношенні елемента, як уран.

Одним із важливих застосувань лазерів є одержання і дослідження високотемпературної плазми. Ця галузь застосування пов’язана з розвитком нового напрямку лазерного керування термоядерного синтезу.

Лазери широко застосовуються у вимірювальній техніці. Лазерні інтерферометри(у них джерелом світла є лазер) використовуються для зверх точних дистанційних вимірів лінійних переміщень, коефіцієнтів заломлення середовища, тиску, температури.

Хід роботи

6.1 Включити лазер. Спрямувати промінь на дифракційну решітку, одержати дифракційний спектр монохроматичного випромінювання.

6.2 Спрямувати на дифракційну решітку промінь білого світла. Порівняти з отриманим у попередньому досліді. Відмінності записати у висновку1.

6.3 Спрямувати на призму промінь лазера, а потім промінь білого світла. Відмінності, що спостерігаєте, записати у висновку2.

6.4 Увисновку3 записати відмінності дифракційного та дисперсійного спектрів.

7 Контрольні питання

7.1 Сформулювати постулати Бора (та вивчити).

7.2 Основні компоненти лазеру та їх призначення.

7.3 Які стани називаються станами з інверсною заселеністю? Як здійснюються такі стани в ОКГ.

7.4 Які властивості лазерного випромінювання ви знаєте, який ККД лазерів?

7.5 Де застосовуються лазери?

7.6 Дати поняття та означення явищ: інтерференція, дифракція, дисперсія.

8 Висновок: зробити три висновки згідно ходу роботи.

Домашнє завдання

9.1 Поглинання. Спонтанне та вимушене випромінювання (Л.1.,с434)

9.2 Оптичні квантові генератори (Л1.,с436)

Література

Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. 1990.

 

 

Додаток 1.