Н.В. Карлов, Н.А. Кириченко - Начальные главы квантовой механики (1129353), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Трехуровневая схема (рис. 13.5) обладает недостатками. В частности, еще до начала генерации нуэкно затратить энергию д.ш выравнивания заселснностей, т. е. на заполнение уровня 2 по крайней мере до того жс состояния, что и уровня 1. Лишь при превышении этого минимального заполнения рабочего уровня можно рассчитывать на начало генерации. С этим связано и то. что невозможно реализовать непрсрывную генерацию излучония при непрерывной накачке устанавливается такое распределение, при котором заселенное гь уровня падает с ростом его энергии.
Указанного недостатка лишена четыреттраеиееая схеиеь качественно показанная парис. 13.7. В этой схеме рабочий переход осуществляется между уровнями 3 и 2. Однако вследствие большой ширины уровня 2 он быстро (по сравнению с уровнем 3) опустошается. Поэтому инверсная населенность Жз ) Хз сохраняется практически при любой степени заполнения уровня 3. Это означает возможность непрерывной генерации излучения. Заселение реход Рис. 13.7. Четырехуровневая схема создания инверсной населенности в лазерах По четырехуровневой схеме работают такие твердотельные лазеры, как лазер на неодимовом стекле, или ИАГ-лазер ') (Хдз: УАО-лазер).
Рабочее ') Аббревиатура ИА1 (или УАС) расшифровывается как 'Иттрнй — Алюминиевый Гранат'Л 278 Гл /3. Квинтовгт мектроника тело представляет собой кристалл граната, в котором часть ионов Уз" замещена непал~и неодима, УзА!а О ш + 1.5% )лЫз, Основная длина волны излучения этого лазера есть Л = 1. 06 мкм. Сходная схема используется и в газовых лазерах.
В частности, в газовых электроразрядных лазерах инверсия создается как правило в газовых смесях, когда энергия возбужденной электронами разряда основной, но оптически неактивной компоненты смеси в процессе неупругих столкновений, идущих с малым дефицитом энергии, квазиреэонансно передается верхним лазерным уровням активной газовой прилгсси. В качестве конкретного примера на рнс. 13.8 показана схема уровней и переходов дзгя гелий-неонового лазера. Зтот лазер работает в непрерывном режиме и создает основное излучение на длине волны Л .— — 0,63 мкм.
Внешний источник возбуждает атомы гелия. Затем в результате столкновений атолгы гелия передают энергию возбузкдения атомам неона (Не*+ + Ме Хе'ф Не т Е „), между уровнями которого и происходят рабочие переходы. Уровни Нс Уровни Мс 2 оо д Гччь 4Р 2 '5~ "я+ ядль 1 1 бв Рис. !3.8. Схема уровней гелия и неона. Псраылг возбужденным состояниям гелия соответствуют энергии 19,82 зВ и 20,61 зВ.
Состояния гелия 2~8з и 2' Во —- мстастабильные с арсмснсм жизни порядка 1 мс, Уровни неона 48 и 58 близки к уровням 2 В~ и 2 Ус гелия, что и позволяет осуществлять эффективную перекачку энергии от гелия к неону при столкновении атомов В газодинамических лазерах инверсия создается при резком охлаждении предварительно равновесно нагретого молекулярного газа в сверхзвуковом потоке, организованном так, чтобы при этом охлаждении резервуар энергии молекулярных колебаний, соответствующих низкнему уровню лазерного перехола, опустошался быстрее верхнего уровня. Среди других ОКГ упомянем СОз-лазеры, позволяющие получать непрерывное излучение большой мощности (10з —: 10з кВт) в инфракрасном диапазоне спектра (Л = 10,6 мкм и Л == О.
6 мкм). В этих лазерах излучение 73.71,Ь>стоды создания и»ясрсилл нассяттостсй 279 генерируется при переходах между колебательными уровнями ълолекулы СО>. Для накачки лазера в газ добавляется азот, который возбуждается электрическим разрядом, а затем передает энергию молекулам СОз, Кроме того, в газовую смесь добавляется гелий, который позволяет эффективно осуществлять опустошение нижнего колебательного уровня молекул СОя.
Типичное соотношение концентраций компонентов смеси составляет СО >: )н)з: Не-. 1: 1: 8. Мы не будем подробнее говорить о конкретных лазерных конструкциях и о свойствах лазеров. Это не входит в нашу задачу. Но поскольку главным в квантовой электронике является инверсия населенностей в термодинамически неравновссной системе квантовых уровней энергии, мы все же уполлянсм ещс несколько наиболсс распространенных технических методов ее создания. В химических газовых лазерах инверсия создастся при неравновесном распределении энергии, выделившейся в ходе экзотермиче ской химической реакции, между колебательными уровнями молекул-продуктов реакции.
В эксимерных газовых лазерах инверсия создается в импульсном элекзрическом разряде или под действием пучка быстрых алектронов для так называемых эксимерных молекул, т. с. молекул, существующих только в возбужденном электронном состоянии. Основному электронному состоянию таких молекул соответствует разлетный терм: этих молекул в основном состоянии нс существует.
Образуясь под действием электронного удара, они самим фактом своего существования создают инверсию по отношению к основному состоянию, распадающемуся почти мгновенно, т. е. быстрее, чем за одно молекулярное колебание. В диэлектрических лазерах на твердом теле (оптически совершенные криста:щы или стекла) инверсия создается в системе уровней энергии примесных ионов под действием вспомогательного излучения накачки, которая, выравнивая населенности одной пары уровней, преимущественно населяет один из них по отношению к какому-то третьему или четвертому уровню.
Метод вспомогательного излучения накачки бьлл предложен Н.Г. Басовым и Л.М. Прохоровым применительно к газовым средам в 1955 году и Н. Бломбергеном для твердотельных царамагнитных мазеров в 1956 году. Метод используется также при создании псрсстраивасмых по частоте излучения лазеров на центрах окрашивания (так называемьгх Г- пентрах) в кристаллах и на жидких растворах органических красителей.
В полупроводниковых лазерах на твердом теле инверсия создается при инжекции носителей электрическим током в область 1)> — п)-перехода вырожденного полупроводника клежду электроллнылли состояниями его энергетических зон. Применение полупроводниковых кристаллов в квантовой элекэронике бьшо в 1959 году предложено Н.Г.
Басовым, а в 1963 году Ж.И. Алферов предло кил и в 1968 году реализовал полупроводниковый гегеролазер, в котором активной средой является полупроводниковая гетероструктура. Итак, в основе квантовой электроники лежит квантовый объект активная рабочая среда с инверсией населенностей дискретно квантованных гБО Гл.
13. Евалтовая эдскаровика уровней энергии. Эта среда охвачена поло кительной обратной связью, осуществляемой эффектом индуцированного испускания излучения в резонаторе. В лазерах активная среда запасает энергию и усиливает излучение, эффект индуцированного излучения обеспечивает когерснтность усиления, а резонатор формирует спектральные и пространственные своиства излучения.
Будучи основана на фундаментальных положениях физики ХХ-го века и, прежде всего, квантовой лзеханики н оптики, квантовая эдекгрон ика дала неведомую ранее возможность концентрировать энергию электромагнитного излучения в пространстве, во времени и в спектральном интервале.
Это подняло оптику на качественно новый уровень, для которого, в частности, характерно развитие применений в областях, традиционно не оптических. ГЛАВА 14 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЯДЕР— Генегзат особенно иппеп бы посиотреть, как баноараирукпп атомные абра. <Из оборонка: Физики шутят. — Мп Мир, ! 9 6Ь) Одним из важней!пих направлений современной науки является ядерная физика.
В этой области в полной мере проявляются все законы квантовой механики. Кроме того, ядерная физика имеет разнообзразнейшис применения в современной технике. Учитывая сказанное, мы в этой главе кратко сформулируем основные представления об атомном ядре и его свойствах. 14.1. Состав цдри Начнем изложение с того, что рассмотрим состав ядра, укажем простейшие его свойства и введем необходимую терминологию. В 1911 г. Э. Резерфорд, изучая рассеяние о-частиц на метачлических фольгах, установил, что атомы состоят из компактного ядра, занима!ошего незначительную долю объема атома, н электронов, находящихся от ядра на значительном расстоянии. Было установлено, что радиус ядра зависит от атомного веса А (измеренного в атомных единицах массы) по закону )1= го4 ' (14.1) где величина го = 1,3. 10 '! см. Для сравнения заметим, что радиус первой боровской ороиты составляет дз „, о а = — —.— = 5,3 10 ' см.
тп,,~ -' В ядерной физике широко применяется внесистемная единица длины "Ферми": 1 Ферми ==. 10 !!! см. Ее сокращенное обозначение: Ф или Фм. Таким образом, го = 1. 3 Фм. Сейчас твердо установлено, что атомное ядро состоит из частиц двух 282 Гя. 14. Сгпроенне и свойюлеа ядер типов - - протонов и нейтронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
