|
Читайте также: |
В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.
Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением кванта может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода
Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.
Индуцированное (вынужденное) излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.
Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в возбужденном состоянии.
У световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.
Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон индуцированного излучения атома. Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения – возникает оптическое усиление.
В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.
В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей.
Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов).
В 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант наблюдал экспериментальное 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, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.
Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т.Мейманом.
Лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения
Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.
Усиление падающего на среду излучения возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения.
Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n2 > n1
В состоянии термодинамического равновесия с минимальной энергией усиления не происходит.
Для того, чтобы вещество усиливало проходящий через него свет, необходимо, чтобы более половины его электронов находилось в возбужденном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью уровней.
В этом случае поглощение фотонов будет происходит реже, чем испускание.
Инверсная населенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.
Состояние, при котором больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней.
Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной населенностью энергетических уровней.
Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.
Метастабильное состояние – возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (порядка 10-3с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10-8с)
Система атомов с инверсной населенностью энергетических уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение.
Принцип действия рубинового лазера (оптического квантового генератора)
Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Al2O3, в котором часть атомов имеет примеси хрома Cr3+.
С помощью мощного импульса лампы-вспышки («оптической накачки») ионы хрома переводятся из основного E1в возбужденное состояние E3.
Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой, используемую для этого лампу – лампой накачки.
Через 10-8с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень E2 < E3, на котором начинают накапливаться.
Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1.
Случайный фотон с энергией hυ = E2 – E1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.
Для работы в режиме генератора нужна положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода подается на вход.
Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
При соответствующей (параболической) форме отражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении.
Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.
Один из торцов рубинового стрежня делают зеркальным, а другой – частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета 694.3 нм.
Основные особенности лазерного излучения:
- исключительная монохроматичность и когерентность
- очень малый угол расхождения (около 10-5 град)
- наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.
Полное высвечивание всех возбужденных атомов происходит за 10-10с, поэтому мощность лазера достигает миллиардов ватт.
Существуют также лазеры на газовых лампах, достоинством которых является непрерывность излучения.
Применение лазеров:
- связь
- точное измерение больших расстояний
- считывание информации
- хирургическая техника
- сварка и резка материалов
- управляемая термоядерная реакция
- топография
- голография
ДОБАВИТЬ ПРО МАЗЕРЫ и ПАЗЕРЫ
Дата добавления: 2015-11-14; просмотров: 188 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Соотношение неопределенности Гейзенберга | | | ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА |