Учебные презентаций. Лазеры.

13-ТеМА

СОДЕРЖАНИЕ

Лазеры

Лазеры или оптические квантовые генераторы – это когерентные источники излучения, обладающие рядом уникаль-ных свойств. Лазер – от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света при помощи индуцированного излучения). К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диа-пазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режи-мах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 1012–1013 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в технологии обработки материалов, в медицине, в военной технике, в оптических системах навигации,

Лазеры

связи и локации, в интерференционных экспериментах, в химии, в быту и т. д.
Важнейшим свойством лазерного излучения является высокая степень его монохроматичности. Уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Атом может находиться в различных энергетических состояни-ях с энергиями E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называют-ся стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только основное состояние с наименьшей энергией.

Лазеры

Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни называются метастабильными.
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Лазеры

Переходы между энергетическими уровнями атома не обяза-тельно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в дру-гое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы назы-ваются безизлучательными.
В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может проис-ходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода

Лазеры

. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяю-щийся в том же направлении. На языке волновой теории это означа-ет, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испуска-ния фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, воз-растает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимо-действия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона.

Рис. 24.12. 

Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.
Рис. 24.12.

На рис. 24.12 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома;
(a)- процесс поглощения, (b)-спонтанное испускание и (c)-инду-цированное испускание квантов.
Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E1 и E2, E2 > E1. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии, некоторая часть атомов будет находиться в верхнем энергетическом состоянии, получая необхо-димую энергию при столкновениях с другими атомами.

Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n1 и n2 , n2 < n1. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис.24.12. Так как n2 < n1, поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно и распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну.

Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. соз-дать инверсную населенность уровней. Такая среда является тер-модинамически неравновесной. Идея использования неравновес-ных сред для получения оптического усиления впервые была выс-казана В. А. Фабрикантом в 1940 году. В 1954 году российские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский ученый Ч. Таунс использовали явление

индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа усиления и гене-рации радиоволн в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии.
Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь.

Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике называют накачкой.

Начало лавинообразному про-цессу в такой системе при опре-деленных условиях может поло-жить случайный спонтанный акт, при котором возникает излуче-ние, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает ста-ционарный режим генерации. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью.
На рис. 24.13 схематически представлено развитие лавинно-образного процесса в лазере.

Рис. 24.13

Лазеры

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется оптичес-кая накачка. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится через третий выше расположенный уровень (рис. 24.14).

Трехуровневая схема оптической накачки приведена на рисунке. Указа-ны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Пере-ход между уровнями E3 и E2 безыз-лучательный.
Лазерный переход осуществляет-ся между уровнями E2 и E1. В крис-талле рубина уровни E1, E2 и E3 при-надлежат примесным атомам хрома.

(рис. 24.14).

Лазеры

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с руби-новым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %), переходят в состояние с энергией E3, а через промежуток τ ≈ 10–8 с они переходят в состояние с энер-гией E2. Перенаселенность возбужденного уровня E2 по сравнению с невозбужденным уровнем E1 возникает из-за относительно боль-шого времени жизни уровня E2.

(рис. 24.15)

Лазеры

Лазер на рубине (рис. 24.15) работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт. Исторически это был первый действующий лазер (американский физик Т. Майман, 1960 г.).
Одним из самых распространенных лазеров в настоящее вре-мя является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давле-ние в смеси составляет порядка 102 Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непре-рывном режиме, является неон

Лазеры

Гелий является буферным газом, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной монохроматичность. Расчетная спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10–4 Гц. Это очень малая величина. Время когерентности такого излучения порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·1011 м, т. е. больше диаметра земной орбиты.
Первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 году. На рис. 24.16 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Лазеры

Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E2. Возбуж-денные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, нахо-дящимися в основном состояние, и передают им свою энергию.
Уровень E4 неона расположен на 0,05 эВ выше метастабиль-ного уровня E2 гелия.

Рис. 24.16

Лазеры

Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.  
Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энер-гии соударяющихся атомов. На уровне E4 неона возникает инверс-ная населенность по отношению к уровню E3, который сильно обед-няется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентич-ных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация. На рис.24.17 изображена схема гелий-неонового лазера.

Рис. 24.17.

Лазеры

Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %.

Тестовые задания.

А) 1,6. В) 6,8. С) 9,1. D) 13,6. Е) 27,2.
11.(03/9-17). При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой излучается фотон с длиной волны 600 нм. На сколько при этом изменяется энергия атома (Дж)? h=6,6-10 -34 Дж·с.
А) 3,3·10 -19. В) 2,2·10 -21. С) 9·10 -20. D)6,6·10 -24. Е) 1,1·10 -20.
12.(03/9-75). По какому выражению определяется частота света, излучае-мого при переходе атома из возбужденного состояния с энергией Ет в основное состояние с энергией Е1 ?
A) . B) . C) . D) . E) .

Тестовые задания.

13.(01/1-10). Чему равна (км/с) вдали от ядра скорость электрона, выбитого из невозбужденного атома водорода фотоном с энергией E=15,5 эВ, если длина коротковолновой границы спектра атома водорода (mе=9,1·10 -31 кг, h=6,6·10 -34 Дж·с.).
А) 810. В) 650. С) 410. D) 230. Е) 140.
14.(03/9-19). Определите скорость движения электрона по орбите в атоме водорода (м/с).
е =1,6·10 -19 Кл; т= 9,1·10 -31кг; r=10 -8 см; k=9·109 Н·м2/кг2.
А) 9·10 7. В)9,1·10 6. С) 5,6·10 7. D) 8·10 7. Е) 1,6·10 6.

Тестовые задания.

15.(00/9-87). Какова энергия фотона, испускаемого атомом при переходе атома из состояния с энергией Е1 в состояние с энергией Е2?
А) Е1. В) Е2. С) Е1-Е2. D) Е1+Е2. Е) Е2-Е1.
16.(00/10- ). Фотон какой энергии поглощает атом при переходе из состояния с энергией Е1 в состояние с энергией Е2?
А) Е1. В) Е2. С) Е1-Е2. D) Е2-Е1. Е) Е1+Е2.

Тестовые задания.

17.(01/11-56). При поглощении кванта света энергия атома изменилась на 6 эВ. Найдите длину волны поглощенного света (мкм).
h=6,6·10 -34 Дж·с, 1эВ= 1,6·10 -19 Дж.
А) 0,35. В) 0,2. С) 0,4. D) 0,3. Е) 2,5.
18.(02/6-16). На сколько эВ изменится энергия атома, когда он поглощает квант излучения с частотой 3,2·1016 Гц?
h=6,6·10 -34 Дж·с, 1эВ= 1,6·10 -19 Дж.
А) 160. В) 150. С) 264. D) 132. . Е) 66.