Вимушене випромінювання. Лазери

У речовинах атоми можуть мати звичайні та метастабільні енергетичні рівні. Якщо збуджений атом переходить на основний енергетичний рівень за час , то збуджений рівень називають звичайним. Якщо ж атом із збудженого стану переходить на основний за час , то збуджений рівень називається метастабільним.

Крім спонтанного (самодовільного) випромінювання та вимушеного поглинання, Ейнштейн в 1916 році теоретично розглянув процес вимушеного випромінювання. Таке випромінювання може реалізуватися в так званому активному підсилюючому середовищі з метастабільними енергетичними рівнями.

При проходженні квантів випромінювання через активне підсилююче середовище, його інтенсивність може різко збільшуватися без суттєвої зміни частоти та напрямку випромінювання. Збільшення інтенсивності відбувається за рахунок випромінювання нових фотонів тотожних тим фотонам , що викликають їх народження. Число атомів N₂ на збудженому метастабільному енергетичному рівніможе бути значно більше числа атомів N₁ в основному стані. В цьому випадку кажуть про інверсність заселення стану середовища. Переведення речовини в інверсний стан (N₂/N₁>1) називається накачкою активного середовища і вона може бути оптичною або електричною.

Для практичного використання засад створення вимушеного випромінювання створюються трьох рівневіактивні середовища. Їх сутність полягає в тому, що оптичною накачкою атоми активного середовища з основного стану C переводяться на верхній звичайний енергетичний рівень A (див.Мал.209). Зі стану A найбільш імовірним є безвипромінювальний перехід на близький до A середній метастабільний енергетичний рівень B. Тепер стан B буде інверсно заселеним відносно основного стану С. При виникненні в такому інверсному стані активного середовища кванта з енергією рівною різниці енергій рівнів С та B виникає індукований (стимульований) лавинний перехід середовища з рівня B на рівень C.

Якщо активне середовище помістити між двома плоскими дзеркалами (резонатор), то відбувається підсилення спонтанно народженого кванта (затравки) при багатократному проходженні ним активного середовища між дзеркалами. Якщо одне із дзеркал зробити напівпрозорим, то частина випромінювання буде виходити із системи, а інша повернеться до активного середовища і знову підсилиться. Таким чином створюється зворотний додатний зв’язок.

Трирівневі та інші підсилюючі системи випромінювання в оптичному видимому, інфрачервоному та ближньому ультрафіолетовому діапазоні називають лазерами від англійської абревіатури слів lіgcht amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon, а у мікрохвильовому та сантиметровому діапазоні радіохвиль – мазери від абревіатури слів mіcrowave amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon.

Уперше мазер у сантиметровому діапазоні був створений у 1953 році Басовим та Прохоровим і незалежно від них Таунсом. В 1960 році Мейман (США) створив перший твердотільний лазер.

Розглянемо докладніше установки вимушеного випромінювання.

1. Рубіновий лазер утворюється кристалом рубіна, що є оксидом алюмінію Al₂O₃ із домішкою оксиду хрому Сr₂O₃ у кількості від 0.03% до 0.05%. Певна частина атомів Al у решітці рубіна заміщена атомами Cr³⁺, які утворюють активне середовище. Верхній енергетичний рівень А утворюється двома широкими енергетичними смугами, а метастабільний рівень В утворюється двома близькими рівнями, що відповідають довжинам хвиль червоного світла 692,7 нм та 694,3 нм (див.Мал.210). Накачка відбувається зеленим світлом потужної імпульсної лампи, наповненої неоном та криптоном.

2. Гелій-неоновий лазер. Активним середовищем є плазма високочастотного газового розряду в суміші гелію з неоном. Рівнем С є рівень збудження гелію близький до метастабільного рівня неону, який є рівнем системи В (див.Мал.211). Рівнем А є один із нижніх рівнів неону й перехід атомів неону зі збудженого стану В на цей нижній дає лазерне випромінювання з довжиною хвилі 632,8 нм.

Властивості лазерного випромінювання.

· Часова когерентність складає t=10^-3 с, довжина когерентності l=10⁵ м (звичайні джерела світла мають t~10^-8 c, l=3 м).

· Монохроматичність, що вимірюється півшириною хвилі, складає Dl~10^-11 м.

· Надзвичайно велика потужність випромінювання.

Нехай активне середовище одержало енергію 20 Дж і висвітлило цю енергію за 10^-3 с, тобто створило потік eнергії Ф=2×10⁴ Вт. Якщо сфокусувати це світло збірною лінзою на площу 1мм²=10^-6 м², то потік енергії на одиницю площі складе 2×10¹⁰ Вт/м² ¾ 20 гігават на 1м².

· Кутова розбіжність лазерного випромінювання така, що промінь лазера створює на Місяці пляму діаметром до 3 км, коли звичайний прожектор дасть пляму діаметром до 40 000 км.

· ККД лазерів за своїм типом може складати від 0,01% до 75%.

Типи лазерів.

· твердотільні,

· газові,

· напівпровідникові,

· хімічні.

Застосування лазерів

· обробка та мікрозварювання твердих та надтвердих матеріалів,

· дефектоскопія виробів,

· хірургічний інструмент,

· вимірювальна техніка,

· створення голографічної пам’яті з високою швидкістю зчитування.

 

19.23.Контрольні питання

1. Розкажіть про дослід Девідсона-Джермера та застосуйте формулу Вульфа-Брега до розсіювання електронів.

2. Розгляньте явище дифракції електронів на отворах.

3. Знайдіть невизначеність імпульсу електрона, що дифрагує на щілині..

4. Наведіть співвідношення невизначеностей та їх фізичний зміст.

5. Розкажіть про дослід Франка-Герца.

6. Опишіть борівську теорію атома водню.

7. Дайте визначення хвильової функції та розкажіть про її фізичний зміст.

8. Суперпозиція станів у квантовій механіці.

9. Розгляньте загальне та стаціонарне рівняння Шредінгера.

10. Розв'яжіть рівняння Шредінгера для вільної частинки.

11. Розв'яжіть рівняння Шредінгера для частинки у потенціальній ямі.

12. Що являє гармонічний осцилятор. Які частоти він випромінює.

13. Потенціальний бар'єр та його прозорість.

14. Запишіть рівняння Шредінгера для частинки у сферично симетричному потенціальному полі.

15. Псі-функція, квантові числа, рівні енергії та момент імпульсу воднеподібних атомів.

16. Розкажіть про квантування моменту імпульса атома.

17. Просторовий розподіл енергетичних рівнів в атомі водню.

18. Мезоатоми та ширини енергетичних рівнів.

19. Розкажіть про дослід Штерна-Герлаха.

20. Що являє спін електрона?

21. Принцип Паулі та розрахунок числа енергетичних рівнів в атомі та їх позначення.

22. Які основні положення формулюють періодичну систему хімічних елементів.

23. Що являють рентгенівські спектри випромінювання?

24. У чому полягає зміст закона Мозлі?

25. Яка фізична природа зв'язку атомів у молекулі водню?

26. Чим визначається енергія зв'язку двоатомних молекул?

27. Розкажіть про електронні, коливальні та обертальні терми молекул та яка їх структура.

28. Як утворюються молекулярні спектри.

29. Розкажіть про сутність люмінісценції та які види її існують?

30. Що приводить до комбінаційного розсіювання?

31. Які складові комбінаційного розсіювання та люмінісценції існують?

32. У чому полягає явище вимушеного випромінювання?

33. Яка передумова для заселеності атомних рівнів речовини призводить до лазерного випромінювання.

34. Наведіть принципову схему рубінового лазера, які довжини хвиль він випромінює?

35. Наведіть принципову схему гелій-неонового лазера. Які довжини хвиль він випромінює?