19 (Билеты по теории)

Билет №19

2) Поляризация света. Искусственная анизотропия. Эффект Керра, эффект Фарадея.

 Поляризованным называется свет, у которого колебания вектора напряженности электрического поля Е - светового вектора упорядочены. Для поляризованного света различные направления в плоскости, перпендикулярной световому лучу, неэквивалентны. Такая неэквивалентность существует только для поперечных волн. Продольные волны не имеют поляризации.

Существуют три типа поляризации света: линейная, циркулярная (круговая) и эллиптическая. Кроме того, свет может быть неполяризованным и частично поляризованным

Линейно (плоско) поляризованной называется волна, вектор E которой в процессе распространения колеблется в одной плоскости, проходящей через луч. Естественным называется свет с быстро и беспорядочно изменяющимся направлением вектора напряженности электрического поля, причем все направления колебаний, будучи перпендикулярными световому лучу, равновероятны. Рис.4.3

Волна называется эллиптически поляризованной, если при фиксированном значении координаты z (координаты, вдоль которой волна распространяется) конец вектора E в плоскости с течением времени описывает эллипс.

Искусственная анизотропия проявляется в возникновении двулучепреломления в первоначально изотропных средах при внешних воздействиях. Оптически изотропное тело при деформациях сжатия и растяжения приобретает свойство кристалла, оптическая ось которого коллинеарна с направлением деформирующих сил При распространении перпендикулярно оптической оси линейно поляризованная волна разбивается на две - обыкновенную и необыкновенную, разность показателей преломления для которых равна   где F -деформирующая сила, S – площадь боковой поверхности, b - упруго-оптическая постоянная. На выходе из такого вещества свет в общем случае становится эллиптически поляризованным. Эффект Керра. Оптически изотропное вещество в электрическом поле напряженностью Е  приобретает свойство одноосного кристалла с оптической осью, коллинеарной вектору напряженности электрического поля. Разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн равна:  где k- постоянная Керра, λ- длина волны. На выходе из вещества свет в общем случае становится эллиптически поляриз.

Эффект Фарадея заключается в том, что в магнитном поле первоначально неактивное вещество становится оптически активным. При распространении света в веществе вдоль вектора напряженности магнитного поля плоскость поляризации световой волны вращается.

Угол поворота плоскости поляризации равен где V постоянная Верде.

3) Квантовое усиление и генерация света. Инверсное состояние вещества (методы осуществления инверсии населенностей). Лазеры. Рубиновый и гелий-неоновый.

При прохождении света через среду осуществляется обмен квантами между пучком света и атомами среды посредством поглощения и испускания фотонов Пусть свет частоты ν распространяется вдоль оси Z через среду, в которой концентрации атомов на верхнем и нижнем уровнях равны соответственно N₁ и NТогда интенсивность пучка определяется законом Бугера: I(z)= I0 eα z ^z, где - коэффициент Эйнштейна, V - скорость света в среде, I₀=I(0). В состоянии термодинамического равновесия концентрации атомов, обладающих энергией E_i, описываются распределением Больцмана. Поэтому населенность уровня с более высокой энергией должна быть меньше, чем с низкой. Поскольку E₁>E₀, , то в этом случае N₁<N₀, т.е. α<0 и плотность по тока по мере прохождения света уменьшается. Случай α<0 соответствует поглощению света средой.

Если привести систему атомов в неравновесное состояние, когда N₁>N₀, то выполнится условие α>0, и среда будет не поглощать, а усиливать излучение. Состояние среды, при котором N₁>N₀, называется состоянием с инверсной населенностью. Привести систему в неравновесное состояние можно при помощи внешних воздействий, например светового пучка, вызывающего вынужденные переходы(для систем с колличеством уровней большим 2х).

Лазеры имеют целый ряд преимуществ по сравнению с не-лазерными источниками света. Излучение лазера когерентно, то есть фотоны, излучаемые лазером, идентичны по фазе, амплиту-де, направлению распространения. Поэтому оно монохроматич-но, может иметь очень высокую интенсивность и узкую направ-ленность.

Рубиновый лазер. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, в качестве источника накачки используется мощная лампа-вспышка с широким спектром излучения

Гелий-неоновый лазер. Инверсия населенности в гелий-неоновом лазере достигается при помощи газового разряда. В газовом разряде электроны ускоряются электрическим полем, сталкиваются с атомами и ионизуют их, вызывая появление вторичных электронов, которые в свою очередь также ускоряются, и т. д. Часть атомов при столкновениях не ионизуется, а возбуждается. При определенных условиях доля возбужденных атомов может оказаться столь вели-ка, что возникнет инверсия населенности.