И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 55

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 55)

Эта теория рассматривала свет в виде электромагнитных волн — взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного переменных полей, составляющих единое электромагнитное поле. В конце прошлого века Х. Лоренц создал классическую электронную теорию вещества, а затем Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой электроны внутри атома вращаются по различным орбитам вокруг положительно заряженного ядра, причем разным орбитам соответствуют различные уровни энергии электронов.

Расчеты показали, что напряженность электрического поля, возникающего между электронами и ядром и удерживающего электроны на орбите, достигает миллиардов вольт на сантиметр. Предполагалось, что вращение электронов было причиной излучения ды), а также полевые магнитотранзисторы. Представляют интерес магнитотиристоры, у которых напряжение включения можно изменять, воздействуя внешним магнитным полем. При отсутствии'магнитного поля магнитотиристоры имеют некоторое среднее напряжение включения.

Увеличивая напряженность магнитного поля в одном направлении, можно повысить напряжение включения, а в противоположном направлении,— понизить. световых волн. Но не было объяснения такому странному положению: почему электроны, теряя при излучении энергию, не падают на ядро. В 1900 г. М. Планк показал, что свет излучается не н9пперывно, а отдельными порциями, которые он назвал квантами, причем энергия кванта равна И' = й», где ч — частота излучения, а Ь— так называемая постоянная Планка, равная приблизительно 6,63 ° 10 зл Дж с.

Впоследствии квант светового излучения получил еше название фотон. В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил с помощью теории квантов фотоэффект, открытый Г. Герцем. (Однако явления дифракции и интерференции теория квантов не могла объяснить. Эти явления можно понять только с помощью волновой теории.) Нильс Бор первым сумел объяснить планетарную модель атома также с точки зрения квантовой теории.

Он показал, что, вращаясь на стационарных (постоянных) орбитах, электроны не излучают. Излучение происходит только при переходе электрона с удаленной от ядра орбиты, которой соответствует высокий энергетический уровень, на более близкую к ядру орбиту, т. е, на более низкий энергетический уровень, являюшийся основным. Прн этом излучается квант света (фотон). А.

Эйнштейн показал, что момент скачка (излучения кванта) и направление излучения имеют случайный характер. Такое случайное самопроизвольное излучение принято называть спонтанным. Оно является следствием возбуждения атома, т, е. перехода электрона с основной орбиты на более удаленную от ядра орбиту, на которой электрон обычно находится в течение малой доли секунды. Возбуждение атома происходит прн поглощении света, или под влиянием температуры, или при ударе в атом внешнего электрона.

Излучение обычных источников света, например раскаленных тел, является спонтанным, так как различные атомы излучают кванты в различные моменты времени, в различных направлениях и с различной энергией, т. е. излучение происходит беспорядочно. Однако существует и другой вид излучения, открытый А. Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуиированным, нли пнимулированным. Оно заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, т. е. переход электрона на основную, менее удаленную от ядра орбиту с испусканием фотона, который по количеству энергии н направлению излучения одинаков с фотоном, вызвавшим этот процесс.

Таким образом, здесь момент излучения и его направление не являются случайными, а определяются фотоном, ударившим в атом. 12.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА Для эффективного использования света в технике связи и в других областях науки и техники надо добиться синхронного и синфазного (одинакового по фазе) излучения атомов, т. е. так называемого когервнтного излучения. Впервые идею получения такого излучения высказал в 1939 г. советский ученый В. А.

Фабрикант. Можно представить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излучения. Пусть имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в край- ний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона.

Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Аналогично произойдет излучение третьего фотона из третьего атома н будут двигаться уже четыре фотона н т. д. В результате световой поток усиливается в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать гигантского значения 10~~. Важно, что в результате такого усиления будет двигаться целая огромная армия фотонов, имеюших одинаковую энергию и одинаковое направление движения, т. е. излучение будет когерентным. Рассмотренная схема получения когереитного излучения является весьма упрощенной, но она наглядно поясняет принцип усиления света.

В действительности кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии и способных дать когерентное излучение под действием фотонной бомбардировки, всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и тем самым уменьшают энергию выходного когерентного излучения, т. е. уменьшают усиление света. Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, то никакого усиления света не получится, так как число фотонов, поглощенных не- возбужденными атомами, будет равно числу фотонов, излученных возбужденными атомами.

Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невозбужденном состоянии. Иначе говоря, должна быть так называемая инверсия населенности энергетических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на 177 основных орбитах (на более низких уровнях), необходилю в большинстве атомов «переселить» электроны на более удаленные от ядра орбиты (на более высокие уровни энергии), т.

е. возбудить большинство атомов. Конечно, чтобы усиление света происходило в течение необходимого промежутка времени, надо все это время сохранять инвертированное состояние вещества, т. е. все время должно быть большое количество возбужденных атомов. Для этого надо к данному веществу, называемому активной средой или рабочим веи(еством, подводить тем или иным способом энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс получил название накачки. Мы рассмотрели принцип создания усилителя света, получившего название лазер — от начальных букв английских слов 11яЬ1 ашр11йсайоп Ьу збпш!асей епнзвюп о(гаойа11оп, означающих «усиление света с помощью вынужденного излучения». Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается.

Идею создания таких генераторов когерентного света впервые, независимо друг от друга, выдвинули в 1953 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров (СССР), а также американский ученый Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии за исследования в области квантовой электроники. Принцип лазера, называемого иначе оптическим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 12.1).

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя плоскими 4ктиднав l среда 2 Накачка Рнс. 12.1. Принцип устройства лазера 178 зеркалами, одно из которых (2) полупрозрачное, движется поток излучаемых атомами фотонов от конца 1 к концу 2, Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т.

д. Конечно, какой-то внешний источник энергии должен поддерживать инверсное состояние активной среды, и тогда через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов. Следует отметить, что система двух или нескольких зеркал, в пространстве между которыми могут существовать стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона, называется открыо|ым или онтическим резонатором. Простейший оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал, называется иначе интер4ерометром Фабра — Перро. 12.3. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Такое излучение имеет ряд весьма важных особенностей.

Характеристики

Список файлов книги