mt11-Курс лекций_ОНЭиНТ_2016_Л05-06 (1051281)
Текст из файла
ВВЕДЕНИЕ
• 1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения – физической основы работы любого лазера. Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927–1930 гг.
• 1928 год: экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения. В 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населённостей для усиления электромагнитного излучения.
• 1950 год: А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсной населённости. Реализован на практике в 1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора оставался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор.
• 1954 год: первый микроволновой генератор – мазер на аммиаке (Ч. Таунс – Нобелевская премия по физике 1964 года, Дж. Гордон, Г. Цайгер). Роль обратной связи играл объёмный резонатор, размеры которого были порядка 12,6 мм (длина волны, излучаемой при переходе аммиака с возбуждённого колебательного уровня на основной). Весомый вклад в изучение принципов квантового усиления и генерации внесли также советские физики А. Прохоров и Н. Басов (Нобелевская премия по физике 1964 г.). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого из- лучения невозможно.
• 1960 год: Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора – лазера. В качестве активной среды использовался рубин (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора был использован открытый оптический резонатор. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот). Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света [1].
На вопрос о том, что такое лазер, академик Н.Г. Басов отвечал так: «Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки».
Первые выдающиеся достижения в создании оптических квантовых генераторов – лазеров – открыли новую, невероятно перспективную область технологических решений, широко используемых теперь в науке и технике. Вслед за этими открытиями стало очевидным, что лазеры – гибкий инструмент, имеющий множество применений. И поэтому никого не удивляет последовавшее быстро прогрессирующее развитие как фундаментальной науки, посвященной физическим основам генерации лазерного излучения, так и самой лазерной техники. Широта современных возможностей лазеров впечатляет. К настоящему времени трудно представить область деятельности человека, в которой не использовались бы лазеры: будь то наука, техника, медицина или сельское хозяйство. Так, например, при производстве сотового телефона, используется более десяти (!!!) различных лазерных технологий. Широта задач, решаемых с применением лазерных технологий, объясняет большое разнообразие видов лазеров.
1. Физика лазеров
1.1. Спонтанное излучение
В основе физического принципа процесса спонтанного излучения света лежит дискретное строение электронных энергетических уровней атомов и молекул. Подробно это явление рассматривается в курсе Атомной физики. Рассмотрим в некоторой среде два энергетических уровня 1 и 2 с энергиями E1 и E2 (E1 < E2). В последующем рассмотрении это могут быть любые два уровня m и n из неограниченного набора уровней, свойственных данной среде. В многоэлектронных атомах или молекулах нижние энергетические уровни являются занятыми, однако, не теряя общности, удобно принять уровень 1 за основной. Предположим, что атом (или молекула) вещества находится первоначально в состоянии, соответствующем уровню 2 (см. рис. 1.1а). Поскольку E2 > E1, атом будет стремиться перейти к состоянию с наименьшей энергией, то есть на уровень 1 (см. рис. 1.1б). Следовательно, из атома должна выделиться соответствующая разность энергий E2 −E1. Когда выполняются правила отбора для излучательных переходов, эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны. В этом случае процесс называют спонтанным излучением. При этом энергия hν излученной волны определяется соотношением hν = E2 − E.
Рис. 1.1. Схематическое изображение состояния атома: а – до испускательного перехода;
б – после перехода
, где h – постоянная Планка. Таким образом, спонтанное излучение характеризуется испусканием фотона с частотой ν = (E2 − E1)/h при переходе атома с уровня 2 на уровень 1. Заметим, что в случае невыполнения правил отбора переход атома из одного состояния в другое происходит безызлучательным путем. В этом случае избыток энергии E2 − E1 выделяется в какой-либо иной форме (например, разность энергии может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул).
1.2. Поглощение фотона
Рассмотрим теперь атом, находящийся в состоянии с наименьшей энергией, то есть на уровне 1. Так как это основной уровень, то атом будет оставаться на нем до тех пор, пока на него не подействует какое-либо внешнее возмущение. Пусть на вещество падает электромагнитная волна с частотой ν, определяемой выражением (1.1). Очевидно, что энергия hν фотона строго соответствует разности энергий атома в возбужденном (2) и основном (1) состояниях. В таком случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет на верхний уровень 2 (см рис. 1.2). Разность энергий E2−E1, необходимая для того, чтобы атом совершил переход, берется из энергии падающего фотона, то есть переход сопровождается исчезновением фотона. В этом заключается процесс поглощения.
Рис. 1.2. Схематическое изображение перехода атома, сопровождающегося поглощением фотона
1.3. Вынужденное (индуцированное) излучение
Предположим снова, что атом первоначально находится на верхнем уровне 2 и на вещество падает электромагнитная волна с частотой ν, определяемой выражением (1.1) (т. е. с частотой, равной частоте спонтанно испущенной волны). Поскольку частоты падающей волны и излучения, связанного с атомным переходом, равны друг другу, имеется конечная вероятность того, что падающая волна вызовет индуцированный переход (2→1) атома с уровня 2 на уровень 1. При этом разность энергий E2 − E1 выделится в виде электромагнитной волны, которая добавится к падающей. Это и есть явление вынужденного излучения. Между процессами спонтанного и вынужденного излучения имеется существенное отличие. В случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну, фаза которой не имеет определенной связи с фазой волны, излученной другим атомом. Более того, испущенная волна может иметь любое направление распространения. В случае же вынужденного излучения, поскольку процесс инициируется па- дающей волной, излучение любого атома добавляется к этой волне в той же фазе. Падающая волна определяет также направление распространения испущенной волны. То есть при вынужденном излучении происходит усиление волны (см. рис. 1.3)
Рис. 1.3. Когерентное излучение фотона (б), индуцированное падающей волной (а)
1.4. Принцип работы Лазера
Название лазер берёт от английской аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulation of Emission Radiation) – усиление света за счет вынужденного (индуцированного) излучения. Наличие усиливающей среды является необходимым условием для создания оптического квантового генератора. Для этого необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В мазерах это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте ν. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Такую систему обратной связи называют резонатором Фабри– Перо. Простейший резонатор состоит из двух плоскопараллельных зеркал, как показано на рис. 1.5.
Рис. 1.4. Схематическое изображение устройства лазера
В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения. В лазере генерация излучения начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем (скажем, потери, обусловленные частичным выходом излучения из резонатора через зеркало). Усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно exp (B(N2 − N1)l), где l – длина активной среды. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия R1R2 exp (2B(N2 − N1)l) = 1, где R1 и R2 – коэффициенты отражения зеркал по интенсивности. Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому критическому значению (N2 − N1)kr, называемому критической инверсией и определяемому соотношением (N2 − N1)kr = − ln(R1R2) /2Bl . Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером. Однако теперь слово лазер широко применяется к любому устройству, испускающему вынужденное излучение – будь то в дальнем или ближнем ИК-, УФ- и даже в рентгеновском диапазонах. В таких случаях мы будем говорить соответственно об инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лазерах. Заметим также, что названия твердотельный, жидкостный и газовый лазер определяются агрегатным состоянием активной среды.
Твердотельный рубиновый лазер
Рис.1.5. Устройство первого квантового генератора оптического диапазона - лазера
В 1960 г., американским физиком Т. Мейманом
был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в
котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше
оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в
кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки.
Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия АL2О3 с
небольшой добавкой = О,05% хрома. При добавлении атомов хрома
прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают
излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра.
Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки.
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
