physics_saveliev_3 (535941), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличению интенсивности падающего пучка. Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает. В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана: -л,уаг !че -зиму Ф,= з аг =Се ~~'.~ е ! где Ж вЂ” полное число атомов, АГ~ — число атомов, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией Ес '! В !964 г. Васову, Прохорову и Таувсу была аа этн работы присуждена Нобелевская премия.
424 (для простоты мы предположили, что все энергетические уровни не являются вырожденными). Из формулы (86.1) следует, что с увеличением энергии состояния на селе ни ость у р о в н я, т. е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, нахедящейся в термодинамнческом равновесии, поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется. Для того чтобы получить усиление падающей волны, нужно каким-либо способом обратить населенность энергетических уровней, т.
е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией Е„находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией Е, В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность. Согласно формуле (86. 1) — "=е ( У,„ В случае инверсной населенности (У /Ф ) ) 1 при (ń— Е ) ) О. Распространяя формально на этот случай распределение (86.1), мы получим для Т отрицательное значение.
Поэтому состояния с инверсной населенностью называют иногда состояниями с отрицательной температурой. Следует иметь в виду, что последний термин является чисто условным. Дело в том, что состояния с инверсной населенностью являются неравновесными. Понятие же температуры применимо только к равновесным состояниям.
В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Изменение интенсивности света при прохождении через поглошаюшую среду описывается формулой (см. (46.2)): (86.2) 1=)ое™ В случае усиления падающего пучка явление проте- кает так, как если бы коэффициент поглощения и в формуле (86.2) стал отрицательным.
Соответственно 421 совокупность атомов с инверсной населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения. Практическое осуществление лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала.
Один торец покрывался плотным ненрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8о/о упавшей на него' энергии, Рубин представляет собой окись алюминия (А1хО,), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. Чем больше концентрация хрома, тем сильнее окраска кристалла.
При поглощении света ионы хрома Сг'+' (в таком виде хром находится в кристалле рубина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке н переходят в мета- стабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии ( — 1О ' век) примерно в 1Оз раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии (которое составляет величину порядка 1О а сек), На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное '), излучая фотон с ~, = 6943 А, Под действием фотонов такой же длины волны, т.
е. при вынужденном излучении, переход ионов хрома пз метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой (рнс. 244), которая дает свет с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. ') Правила отбора ие являются абсслготио строгизпь Вероятность запрещенных переходов значительна ыеиьщс, чем разрешеивых, ио все хге отличив от нуля. 4хб Пропесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется п о д к а ч к о й.
На схеме уровней иона хрома Сг"' Окладитс:га лгггггаггхзг Рнс. 244. (рис. 246) возбуждение ионов за счет подкачки изобра- жено стрелкой У1з. Время жизни уровня 3') очень мало (-!О ' сек). В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 па основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой Азь Однако У огг большинство ионов пе- г рейдет на метастабильный уровень 2 (вероят- ж~~ю4 иы,~ л, иггг ность перехода, нзобра- гглгггглгггл женного стрелкой 5зз, значительно больше, чем перехода Аз1), При до- Рнс. 245.
статочной мощности подкачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следова- тельно, происходит инверсия уровней 1 и 2. Стрелка Аз| изображает спонтанный переход с мета- стабильного уровня на основной. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополни- тельных фотонов (переход %'з1), которые в свою очередь ') Этот уровень представляет собой полосу, образованную сова купностью близко расположенных уровней. 427 вызовут вынужденное излучение, и т. д. Таким образом, образуется каскад фотонов, Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны, Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные г) е) Ряс. 246.
отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Описанные процессы изображены схематически на рис. 246. До начала импульса ионы хрома находятся в основном состоянии (черные кружки на рис. 246, а). Свет подкачки (сплошные стрелки на рис. 246, б) переводит большинство ионов в возбужденное состояние (светлые кружки). Каскад начинает развиваться, когда 428 возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны (пунктирные стрелки на рис. 246, в) в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кристалла).
Фотоны размножаются зг счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается (рис. 246, г и д), так как фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов. Когда пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец не не кристалла (рис. 246,е). Лазеры на рубине ра- з лз Р5 ботают в импульсном режиме (с частотой повторения порядка нескольких импульсов в минуту). Внутри кристалла выделяется большое количество тепла. Поэтому его приходится интенсивно охлаждать, что осуществляется с помощью жидко- го воздуха.
В 1961 г. был создан Рис. 247, предложенный Джаваном газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Подкачка в нем осуществляется за счет электрического тлеющего разряда. Разрядная трубка заполняется смесью гелия под,давлением 1 мм рт. ст. и неона под давлением 0,1 мм рт. ст. На концах трубка имеет плоскопараллельные зеркала, одно из которых полупрозрачно.
Разряд возбуждает атомы Не, переводя их на метастабильпый уровень 2з5 (рис. 247). Возбужденные атомы Не сталкиваются с атомами Хе, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. В результате атомы Хе переходят на уровень 2з'), вследствие чего возникает инверсная населенность уровней 2з и 2р. ') Для возбужденных состояний атомов инертных газов, кроме гелия, характерна не рессель-сауидерсовская связь, а связь между орбитальным моментом возбужденного электрона и полным моментом атомного остатка. В связи с этим обозначения .типа (74Д) к таким состояниям неприменимы. Предложенные Рака обозначении, включающие информацию о значениях пяти характеризующих состояние квантовых чисел, очень громоздки, Поэтому на практике 429 Переход 2г- 2р дает излучение лазера.
Из-за быстрых переходов атомов Ке с уровня 2р на уровень 1з не происходит накопления атомов 1)е в состоянии 2р. Уровень 2з состоит из четырех, а уровень 2р — из десяти подуровней. Существует 30 разрешенных правилами отбора переходов с подуровней 2з на подуровни 2р, соответствующих длинам волн от 0,6 до 6,4 хгк. Наиболее интенсивный из ннх — переход 2зз — 2ре с длиной волны ! 1 530 А. Таким образом, этот лазер генерирует инфракрасное излучение. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуждаются в интенсивном охлаждении. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры.
Излучение лазеров отличается рядом замечательных особенностей. Для него характерны: 1) временная и пространственная когерентность, 2) строгая монохроматичность (Ы-О,! А), 3) большая мощность и 4) узость пучка. Высокая когерентпость излучения открывает широкие перспективы использования лазеров для целей радиосвязи, в частности для направленной радиосвязи в космосе. Если будет найден метод модуляции н демодуляции света, можно будет передавать огромный объем информации — один лазер мог бы заменить по объему передаваемой информации всю систему связи между восточным и западным побережьями США.
Угловая ширина генерируемого лазером светового пучка столь мала, что, используя телескопическую фокусировку, можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром всего лишь 3 клг. Большая мощность и узость пучка позволяют при фокусировке с помощью линзы получить плотность потока энергии, в !000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света.
Пучки света со столь высокой плотностью мощности можно использовать для механической обработки и сварки, для воздействия на ход химических реакций и т. д. для обозначения возбужденных состояний неона и более тяжелых инертных газов применяются по предложению Паглегга более компактные обозначения — первое возбужденное состояике с ковфнгу. рацией ярз(л + 1)з обозначается как 1з (оао имеет 4 подуровня), следуюгдее возбужденвое состояние с конфигурацией лр'(л -1- 1)р (имеюгдее 1О подуровней) обозначается через 2р и т. д. Лля основных состояний атомов инертных газов допустимы обозначения вида (74.1) (см. табл, 6). 4ЗО Сказанное выше далеко не исчерпывает всех возможностей лазера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
