Основы устройства и работы лазеров
В начале 60-х годов XX столетия группой советских ученых, руководимой академиками Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, и одновременно в США Таунсом и Шавловым был предложен, а затем реализован принципиально новый источник световых волн. Он получил название оптического квантового генератора или лазера.
В латинской транскрипции "Laser" составлено из начальных букв следующей английской фразы: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает "усиление света с помощью вынужденного излучения". Таким образом, сам термин "лазер" показывает, что в основе принципа его действия лежит предсказанное Эйнштейном теоретически ещё в 1916 г. явление вынужденного (стимулированного, индуцированного) излучения.
Название "квантовый генератор" говорит о том, что теория лазерного излучения основана на постулатах квантовой механики, согласно которым атомные системы (совокупность атомов, молекул, ионов) могут обладать лишь дискретными значениями энергий. На рис. 1 показаны два из возможных уровней энергии какой-то атомной системы. В обычных условиях (в условиях термодинамического равновесия) подавляющее большинство частиц, составляющих атомную систему, находится на самом нижнем уровне, вещество не возбуждено. Поглощение света приводит к его возбуждению, т.е. переходу на более высокий энергетический уровень. Оно изображается стрелками, направленными вверх. Согласно известной теории Бора, атомная система поглощает только те электромагнитные волны, частота которых удовлетворяет соотношению:
где E2(1) - значение энергии 2-го (1-го) уровня, h - постоянная Планка.
Рассмотрим процессы, происходящие в возбужденных атомных системах, т.е. процессы, имеющие место после акта поглощения света. Их можно разбить на 2 группы - оптические и неоптические. К числу оптических процессов относятся спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные переходы возбужденных частиц на более низкие уровни энергии, сопровождающиеся испусканием световых квантов (волн). Спонтанное испускание универсально, оно неизбежно осуществляется для всех возбужденных систем. На рис. 1 оно изображено жирной стрелкой, направленной вниз. Этот процесс обуславливает свечение вещества - люминесценцию. У изотропных веществ она обычно направлена во все стороны, отдельные кванты люминесценции излучаются независимо друг от друга и обладают случайной фазой. Такое излучение называют некогерентным. Напомним, что когерентность - это согласованное, т.е. с сохранением разности фаз протекание во времени нескольких волновых процессов. Неоптические процессы обычно связаны с передачей энергии возбуждения другим частицам или растворителю.
При этом происходит безизлучательный переход атомной системы из состояния 2 в состояние 1. На рис. 1 такой переход изображен волнистой стрелкой. Неоптический переход, как правило, приводит к нагреванию вещества.
|
Рис. 1 |
Лазер работает на принципе вынужденного излучения. Допустим, что на атом падает квант внешнего излучения с энергией E2 - E1 . Если этот атом уже находится на верхнем уровне с энергией E2, то может произойти его вынужденный, т.е. под действием внешнего, вынуждающего кванта, переход на нижний уровень E1 с испусканием второго кванта. При поглощении квант света исчезает (поглощается), а система возбуждается (переход 1-2), при вынужденном испускании возникает новый световой квант, дополнительный к исходному кванту света, т.е. происходит усиление света (увеличение его интенсивности) и переход атома в основное энергетическое состояние (переход 2-1, который на рис.1 изображен тонкой стрелкой). Вынужденное испускание света имеет важную особенность. Индуцировано излученные кванты, формирующие световую волну растущей интенсивности, неотличимы от квантов внешней падающей радиации: они обладают той же частотой, поляризацией и направлением распространения. Их фаза определяется фазой падающего излучения (в этом случае говорят о когерентности света).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.