Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 67
Текст из файла (страница 67)
(46.2)): 1=1,е™. (86.2) В случае усиления падающего пучка явление протекает так, как если бы коэффициент поглощения х в формуле (86.2) стал отрицательным. Соответственно совокупность атомов с инверсгюй населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения. Практическое осуществление лазера стало возможным после того, как были найдены способы осушествления инверсной населенности уровней в некоторых веществах.
В построенном 61ейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около б см. Торцы рубинового стержня были тшательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8о/е упавшей на него' энергии. Рубин представляет собой окись алюзпинизг (А!зОз), 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 и переходят в лзетастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния восновное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (- 1О ' сек) примерно в 10з раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии (которое составляет величину порядка 10 а сек). На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное'), излучая фотон с 1, = 6943 Л, Под действием фотонов такой же длины волны, т. е. прн вынужденном излучении, переход ионов хрома пз метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.
В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой (рис. 244), которая дает свет с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. ') Правила отбора ие являются абсолютно строгини. Вероятность запрещенных переходов значительно меньше, чеи разрозненных, но все нге отлнч!га от нуля. 426 Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется поди а ч кой. На схеме уровней иона хрома Сг"+ сзглллтлл иь ллтлаллзт Рис. 244, (рис.
245) возбуждение ионов за счет подкачки изображено стрелкой (Р~з. Время жизни уровня 8') очень мало ( 10 з сгк). В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 8 на основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой Ам. Однако Р Ф~„. большинство ионов пе- Р рейдет на метастабильный уровень 2 (вероят- ®Й~~~ и л л, %~ ность перехода, изобра- лз~ллзин женного стрелкой Ьзз, значительно больше, чем перехода Аз~) При до- рис. 245. статочиой мощности подкачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, происходит инверсия уровней 1 и 2.
Стрелка Азз изображает спонтанный переход с мета- стабильного уровня на основной. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход 1Рз,), которые в свою очередь ') Этот уровень представляет собой полосу, образованную совокупностью близко расиоложеииыз уровней. 427 вызовут вынужденное излучение, и т.
д. Таким образом, образуется каскад фотонов. Напомним, что фотоны, возникаюшие 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 е) Рае. 246.
отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будег 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 рнс. 246, и) в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кристалла). Фотоны разьгножаются за 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 кристалла (рис. 246,е). Лазеры на рубине ра- Не Не ~з з Ю 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 Лжаваном 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 лгм рт. ст.
На концах трубка имеет плоскопарал. лельные зеркала, одно из которых полупрозрачно. Разряд возбуждает атомы Не, переводя их на метастабильный уровень 2зЯ (рис. 247). Возбужденные атомы Не сталкиваются с атомами Хе, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. В результате атоьгы Ме переходит на уровень 2з'), вследствие чего возникает инверсная населенность уровней 2з и 2р.
') Для возбунсдеиных состояний атомов инертных газов, кроме гслия, характерна не рессель-саундерсовсхая связь„а связь между орбитальным моментом возбужденного электрона и полным моментом атомного остатка. В связи с этил1 обозначения .типа (74.В н таким состояниям иепримепюеы, Предложенные Рака обозначения, внлючаюгяне ипфорьгапию о значениях пяти харантеризуюпгих состояние квантовых чисел, очеив громоздки, Поэтому на прантнхе 429 Переход 2з- 2р дает излучение лазера. Из-за быстрых переходов атомов )че с уровня 2р на уровень 1з не происходит накопления атомов )ч)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 воли от О,б до 5,4 мк. Наиболее интенсивный из них — переход 2хх — 2рх с длиной волны 11 530 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(ЛХ 0,1А),3) большаямогцностьи4) узостьпучка.
Высокая когерентность излучения открывает широкие перспективы использования лазеров для целей радиосвязи, в частности для направленной радиосвязи в космосе. Если будет найден метод модуляции и демодуляции света, можно будет передавать огромный объем информации †од 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, мозкно получить на лунной поверхности пятно света диаметром всего лишь 3 кдс Большая мощность и узость пучка позволяют при фокусировке с помощью линзы получить плотность потока энергии, в 1000,раз превышаюгцую 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 пазов применяются по предложению Пашена более компактные обозначения — первое. возбужденное состояние с конфигурацией яр~(л + 1)з обозначается как 1з (оно имеет 4 подуровня), следующее возбужденное состояние с конфигурацией прз(п + 1) р (имеющее 10 подуровней) обозначается через 2д и т. д. Для основ. иых состояний атомов инертных газов допустимы обозначения вида (74.1) (см.
табл. 6). 4ЗО Сказанное выше далеко не исчерпывает всех возможностей лазера. Он является совершенно ><овыз| типом источника света, и пока еше трудно представить себе все возможные области его применения ). Нелинейная оптика. Напряженность электрического поля Е в световой волне, полученной с помощью обычных (нелазерных) источников света, пренебрежимо мала по сравнению с напряженностью внутреннего микроскопического поля, действующего на электроны в ве. шестве. По этой причине оптические свойства среды (в частности, показатель преломления) и характер подавляющего большинства оптических явлений не зависят от интенсивности света. В таком случае распространение световых волн описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поэтому долазерную оптику можно назвать линейной.
Отметим, что принцип суперпозиция световых волн (выражаемый в геометрической оптике законом независимости световых лучей) справедлив только в области линейной оптики. Правда, и до создания лазеров были известны нелинейные явления в оптике. К их числу относится, например, комбинационное рассеяние света (см. з 83). При комбинационном рассеянии наблюдается преобразование частоты моно- хроматической световой волны, что является признаком нелинейности процесса. Однако в подавляющем большинстве случаев оптические процессы были линейными. После создания квантовых генераторов света положение в оптике существенно изменилось. Лазеры позволяют получить световые волны с напряженностью поля почти такой же величины, как и напряженность микроскопического поли в атомах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
