Свойства вынужденного излучения

    1). Вынужденное излучение распространяется строго в том же направлении, что и излучение, его вызвавшее.

 

    2). Фаза волны вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны.

    3). Вынужденное излучение линейно поляризовано, с той же плоскостью поляризации , что и падающее излучение.

    Т.о. вынужденное излучение при распространении в веществе отличается от спонтанного излучения ничтожно малой расходимостью пучка, а также когерентностью и линейной поляризацией волны.

Среды с инверсной заселённостью энергетических

Уровней

    В соответствии с законом Бугера

 

I_(X) = I_O ^. exp(- μ x) , где

 

    I _{( X )} – интенсивность излучения в веществе на глубине х > 0;

    I_O – интенсивность излучения на входе в слой вещества;

    μ – коэффициент поглощения вещества.

    Для сред, поглощающих излучение, коэффициент μ положителен, но существует возможность создавать среды, усиливающие вынужденное излучение, т.е. с отрицательным коэффициентом μ .

 

    Такие среды должны иметь инверсную заселённость энергетических уровней, т.е. число атомов в возбуждённом состоянии в среде превышает число атомов в основном состоянии.  На пути фотонов в этом случае чаще встречаются возбуждённые атомы, чем атомы в основном состоянии. Поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще чем их поглощение.

 

 При прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной заселённостью уровней поток света не ослабляется, а усиливается.

 

    В обычном равновесном состоянии вещества всегда N₁ > N₂ . Такое состояние вещества называется состоянием с  нормальной заселённостью энергетических уровней.

 

    Для создания активной среды с инверсной заселённостью энергетических уровней необходимы специальные условия, обеспечивающие дополнительную генерацию возбуждённых атомов.

 

Квантовые генераторы

    В первом приборе квантовой электроники – молекулярном генераторе активной средой являлся пучок молекул аммиака NН₃ , из которого с помощью сложного квадрупольного конденсатора выводились молекулы с меньшей энергией, а обогащённый возбуждёнными молекулами пучок представлял собой активную среду. В объёмном резонаторе, взаимодействуя с молекулярным пучком, вынужденное излучение частотой ν = 24840 МГц  усиливалось.

     Молекулярные квантовые генераторы такого типа, работающие в СВЧ диапазоне, получили название мазеров. Они применяются в радиолокаторах,

радиотелескопах, линиях космической связи, в устройствах для измерения частоты колебаний и промежутков времени с высокой точностью.

 

    В 1960 г. был создан оптический квантовый генератор, получивший название лазер.

    Обычно в возбуждённом состоянии атомы находятся лишь 10^-9 – 10^-7 с. Однако некоторые атомы имеют возбуждённые состояния, в которых они могут находиться довольно длительное время, например, 10^-3 с. Такие состояния называются  метастабильными.

    Процесс перевода среды в инверсное состояние, необходимое для работы ОКГ, называется  накачкой усиливающей среды. Практически накачка осуществляется по трёхуровневой схеме. В первом лазере, работающем по трёхуровневой схеме был генератор с рубиновым кристаллом в качестве усиливающей среды ( Al₂O₃ c  примесью Cr₂O₃ ). Активным веществом служили ионы Cr³⁺.

Ближайшими к основному уровню С в Cr³⁺ являются две широкие энергетические зоны  А и двойной метастабильный уровень В.

    Интенсивное облучение рубина зелёным светом мощной импульсной лампы накачки, наполненной неоном и криптоном переводит ионы хрома на уровни зоны А, откуда происходят безизлучательные переходы на уровни В. Избыток энергии передаётся кристаллической решётке рубина. В результате создаётся инверсная заселённость ионами хрома уровней В и оптический квантовый генератор работает на двух линиях красного света λ = 692,7 нм и λ = 694,3 нм , соответствующих переходу ионов хрома с уровней В на уровень С .

    Лавинообразное нарастание интенсивности в активной среде означает, что такая среда действует как  усилитель электромагнитных волн.

    Эффект усиления света в ОКГ увеличивается при многократном прохождении света через один и тот же слой усиливающей среды.

 

    Фотон, движущийся параллельно оси активной среды 1 , рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины (~8%) пройдёт через полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть (92%) отразится и будет нарастать в активной среде.  Часть лавины фотонов, дошедших до сплошного зеркала 2 , поглотится в нём, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный затравочный фотон. Многократно усиленный поток фотонов, вышедший из ОКГ сквозь полупрозрачное зеркало 3 , создаёт  пучок света большой интенсивности, остро направленный, с малым расхождением.

 

    Опыт показывает, что генерация света возникает только при определённой длине резонатора ( расстоянии между зеркалами ) кратному целому числу полуволн

.

    В этом случае на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн, т.е. в резонаторе образуется стоячая волна.

    Мощность светового излучения импульсного лазера (время высвечивания 10^-8 – 10^-10 с ) может быть более 10⁹ Вт т.е. превышать мощность крупной электростанции.

 

 

ВОПРОСЫ К РУБЕЖНОМУ КОНТРОЛЮ

1. Законы теплового излучения:

1.1 Кирхгофа;

1.2 Вина;

Стефана-Больцмана.

2. Квантовые свойства излучения:

2.1 Гипотеза Планка;

2.2 Формула Планка;

2.3 Вывод законов Вина и Стефана-Больцмана из формулы Планка;

2.4 Фотоэффект (законы Столетова и уравнение Эйнштейна);

2.5 Эффект Комптона;

---

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 654; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!