Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 118
Текст из файла (страница 118)
Кроче того, необходимо принимать во внимание и режим генерации — непрерывный или импульсный. Лазер обязатеяьно имеет три основных компонента. 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) систему накачки (устройства для создания инверсии в активной среде); 3) апти !вский резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок). Первым твердотельным лазером (1960; США), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер (Т.
Мейман (р. 1927)). В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохора. вым. Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия А1»О», в кристаллической решетке которого некоторые из атомов А) замещены трехвалентными ионами Сг'+ (0,03 и 0,05 % ионов крома соответственно для розового и красного рубина). Для оптической накачки используется импул ьсная гаэоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной им- б.
Элементы квантовой фи»и«н атомов, молекул и твердых тел Рис. 3!и пульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня ! на уровни широкой полосы 3 (рис. 3(0). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше !О ' с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3-»! (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабнльным) с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина.
Переход 2- 1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка !О ' с, т. е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е.
возникает среда с инверсной населенностью уровня 2. Каждый фотон, случайно родившийси при спонтанных переходах, в принципе может инициировать (порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2-»!, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом и зарождается лазерная генерация.Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Следовательно, излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими когерентными свойствами.
Для выделения направления лазерной генерации используется принципиально важный элемент лазера — оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллель- ных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Как правило, зеркала изготовляются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе — полупрозрачно. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят иэ активной среды через ее боковую поверхность, Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси,многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая вынужденное непускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д, Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно на.
растать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор «выясняет» направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, формируя тем самым лазерное излучение с высокими когерентными свойствами, Первым газовым лазером непрерывного действия (!96!) был лазер на смеси атомов неона и гелия. Газы обладают узкими линиями поглощения, лампы же излучают свет в широком интервале длин волн; следовательно, применять нх в качестве накачки невыгодно, так как используется только часть мощности лампы. Поэтому в газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах. В гелий-неоновом лазере накачка происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а лазерное излучение дает неон.
Электроны, образую. щиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят в возбужденное состояние 3 (рис. 3! !). Г)ри столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит нх возбуждение и они переходят на один из верхних уровней неона, Г л а в а 29. Элементы современной физики атомов и молекул 375 не 3 Рис. З11 который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с )н=0,6328 мкм. Лазерное излучение обладает следующими свойствамн: 1.
Временная и пространственная когергнтносгь (см. $ 171). Время когерентности составляет 1О «с, что соответствует длине когерентности порядка 10э м (1„„,=ст...), т. е, на семь порядков выше, чем для обычных источников света. 2 Строгая монохроматичноггь (ЛХ( <10 "м). 3. Большая платность потока энергии. Если, например, рубиновый стержень при накачке получил энергию (и'=20Дж и высветился за 10 "с, то поток излучения Ф,=20/10 'Дж/с=2 ° 10' Вт. Фокусируя это излучение на плошади 1 мм', получим плотность потока энергии Ф,/5=2 10'/10 н Вт/м'= =2 !Ом Вт/и'. 4, Очень малое угловое расхождение в пучке. Например, при использовании специальной фокусировки луч лазера, направленный с Земли, даст на поверхности Луны световое пятно диаметром примерно 3 км (луч прожектора осветил бы поверхность диаметром примерно 40 000 км).
К. п. д. лазеров колеблется в широких пределах — от 0,01 нгн (для гелий-неонового лазера) до 75 уь (для лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров к. и.д. составляет 0,1 — 1 %. Создан мощный СОн.лазер непрерывного действия, генерирующий инфракрасное излучение (й= =10,6 мкм), к. п, д, которого (30 7н) превосходит к. и.д.
существующих лазеров, работающих при комнатной температуре. Необычные свойства лазерного излучения находят в настоящее время широкое применение. Применение лазеров для обработки, резания и микросварки твердых материалов оказывается экономически более выгодным (например, пробивание калиброванных отверстий в алмазе лазерным лучом сократило время с 24 ч до 6 -8 мнн). Лазеры применяются для скоростного и точного обнаружения дефектов в изделиях, для тончайших операций (например, луч СОн.лазера в качестве бескровного хирургического ножа), для исследования механизма химических реакций и влияния на их ход, для получения сверхчистых веществ. Широко применяется лазерное разделение изотопов, например такого важного в энергетическом отношении элемента, как уран.
Одним из важных применений лазеров является получение и исследование высокотемпературной плазмы. Эта область их применения связана с развитием нового направления — лазерного управляемого термоядерного синтеза. Лазеры широко применяются в измерительной технике. Лазерные интерферометры (в них источником света служит лазер) использукэтся для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры. Например, рассмотренный выше гелий-неоновый лазер из-за излучения высокой стабильности, направленности и монохроматичности (полоса частот 1 Гц при частоте 10" Гц) незаменим при юстировочных и нивелировочных работах.
Сила лазера «пропгупалаь поверхность Луны и помогла советским ученым скорректировать ее карту. Интересное применение лазеры нашли в голографии (см. 4 184). Для создания систем голографической памяти с высокой степенью считывания и большой емкостью необходимы газовые лазеры видимого диапазона еще более высокой монохроматичности и направленности излучения. Очень перспективны и интересны полупроводниковые лазеры, так как они обладают широким рабочим диапазоном (0,7— 326 6. Элементы квантовой физики агомов, мгиекул н твердых тел 30 мкм) и возможностью плавной пере стройки частоты их излучения. Применения лазеров в настоящее вре- мя столь обширны, что даже их перечисление в объеме настоящего курса просто невозможно.
Контрольные вопросы Что характеризуют квантовые числа: ~лавине, орбитальное н магнитное? Какие значения они могут принимать? Каковы возможные значенпя 1 и лн длн гланного коантового числа и =б? Сколько различных состояний соответствует л =4? Сравните плотности вероятности обнаружения электрона в основном состоянии атома водорода согласно теории Бора и квантовой механики Почему атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в различных состояниях? Каноны правила квантования орбитальнш и механического и собственного механического моментов импульса электрона? их проекций на направление внешнего магнитного поля? В чем суть принципа неразличимости тождестненных частиц? Какие частицы являются бозонами? фермионачи? Какие волновые функции описывают их? Как изменилась бы структура электронных обгэлочек атома, если бы электроны были не фермионами, а бозонами? Сколько электронов может быть в атоме, у которого в еюнояном состоянии заполнены К- и б-оболочки, Зз.подоболочка н дяа электрона в Зр подоболочкеэ Что это за атом? Какие квантовые числа имев~ внеп1ний (валентный) электрон в основном состоянии атома натрия? Записать электронную конфш уранию для атомов: 1) неона; 2) никеля; 3) германия.
Как объяснить происхождение коротков|личной ~раницы спектра тормозного рентгеновского излучения? Почему тормозное рентгеновские излучение имеет сплошной спектр, а характеристичесиое-- линейчатый? В чем причина значительного различия оптического и характеристического рентгеновского спектров атомах Какая из трех линий характеристическгн о рентгеновского спектра — Кэ, К, ).э — самая коротковолновая? самая интенсивная? Какое условие необходимо для возникновения вынужггенно~о излучения в веществе? Почему одним иэ обязательных компонентон лазера явлнется оптический резонатор? Задачи 29.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
