Спонтанное и индуцированное излучение.
Атом, получивший в результате какого-то внешнего воздействия дополнительную энергию ΔЕ, переходит с основного энергетического уровня Е1 на возбужденный уровень Е2. В реальности, один из электронов атома, получив энергию ΔЕ, перешел на более отдаленную от ядра орбиту.
Нахождение атома в возбужденном состоянии длится, в среднем, порядка 10-8 секунды, после чего происходит спонтанный (самопроизвольный) переход атома из возбужденного состояния в более устойчивое, основное состояние. При этом энергия ΔЕ, ставшая избыточной, сбрасывается в виде кванта электромагнитного излучения – фотона с энергией ΔЕ = hν. Направление движения этого фотона непредсказуемо, как и момент его возникновения.
Спонтанное излучение – это излучение в отсутствие внешних причин.
В 1917 году Альберт Эйнштейн теоретически обосновал возможность не только спонтанного, но и вынужденного (индуцированного) излучения. Термин «индуцированное излучение» происходит от латинского inductio – побуждение.
На рис. 1 представлены схематически стадии единичного акта возникновения индуцированного излучения.
Рис. 1. Стадии возникновения индуцированного излучения.
На левой из трех схем показан возбужденный атом, находящийся на энергетическом уровне Е2. Этот атом готов к тому, чтобы сбросить излишки энергии ΔЕ в виде кванта hν. Это могло бы и произойти спонтанно, но это не успело произойти: слева на атом накатил сгусток электромагнитного излучения, квант-провокатор точно такой же энергии hν. и спровоцировал, влиянием своего электромагнитного поля, индуцированное излучение ожидаемого нового кванта hν.
|
|
|
На второй схеме рис. 1 представлен квант-провокатор «на месте преступления», и возбужденный атом, переходящий на основной уровень Е1. На третьей схеме: атом, бывший возбужденным, уже не возбужден, и если представится возможность, готов возбудиться снова. А слева направо уходят два кванта: квант-провокатор и новенький квант индуцированного излучения. Их можно называть первичным и вторичным.
Первичный квант ничего не получил от возбужденного атома и ничего ему не отдал. Влияние первичного кванта на возбужденный, готовый к излучению атом можно сравнить с влиянием нажатия курка на заряженное ружье.
Первичный и вторичный кванты одинаковы по следующим свойствам:
1. Они имеют одинаковую частоту и энергию, то есть они монохроматичны;
2. Они когерентны, то есть вторичный квант воспроизвел фазу первичного;
3. Они движутся в строго одинаковом направлении с одинаковой скоростью (по-другому они не умеют).
|
|
|
4. Они имеют одинаковую поляризацию.
Если на пути первичного и вторичного квантов попадутся возбужденные атомы с такой же энергией Е2, то они спровоцируют появление двух новых индуцированных квантов; итого их станет четыре.
В среде, имеющей высокую концентрацию возбужденных атомов, после очередного удвоения, численность индуцированных квантов станет 8, затем – 16; 32, и т.д. Возможность возникновения и развития фотонных лавин обосновали советские физики В. Фабрикант и Ф. Бутаева (1940 год). В такой среде вместо ослабления будет происходить усиление света. Происходит, как говорится, light amplification, усиление света.
Название «лазер» - аббревиатура от английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света посредством стимулированного (т.е. индуцированного) излучения.
Принципиальная схема и принцип работы лазера.
Лазеры различных типов, при всем их разнообразии, сходны по принципу действия. Элементы, свойственные любому лазеру, приведены на схеме рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема лазера.
Классификация лазеров по типу активного вещества:
|
|
|
газовые,
твердотельные,
полупроводниковые,
жидкостные,
эксимерные,
на парах металлов.
Накачка – это процесс передачи энергии от внешнего источника к атомам активного вещества. Чаще всего применяются:
- электрическая накачка – пропусканием электрического тока непосредственно через активное вещество или с помощью электрических разрядов различного типа;
- оптическая накачка – с помощью мощных источников света.
Полученная атомами энергия переводит их в возбужденное состояние. Для работы лазера необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа невозбужденных. Среда, находящаяся в таком состоянии, называется инверсно населенной; подробности – в разделе 5.
Оптический резонатор – это система из двух зеркал. На схеме рис. 2 показаны плоские зеркала, но применяются и сферические. Одно из зеркал, левое на схеме, - «глухое», с коэффициентом отражения, равным единице. Второе – полупрозрачное – имеет коэффициент отражения несколько меньше единицы.
Резонатор обеспечивает развитие и многократное усиление фотонных лавин, движущихся строго вдоль оси резонатора. Такие лавины возникают в инверсно населенной среде от спонтанных фотонов, случайным образом оказавшиеся направленными вдоль оси. Первичные кванты, имеющие направление даже под небольшим углом к оси, могут создать лавины, которые прекратят существование после нескольких отражений, отразившись куда-то в корпус лазера.
|
|
|
Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало и является готовой продукцией лазера.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 3216; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!