У многих частиц некоторые возбужденные состояния характеризуются очень большим временем жизни (порядка 10-5-10-3 с), т.е. вероятность спонтанных излучательных переходов с этих уровней, а также возбуждение этих уровней за счет поглощения фотона очень малы по сравнению с обычными уровнями. Такие переходы называют запрещенными, а сами состояния называют метастабильными.
В оптических средах, содержащих частицы с метастабильными уровнями, индуцированное излучение выражено наиболее отчетливо и именно такие среды (их называют активными) могут быть использованы в квантовых генераторах (лазерах и мазерах).
Из-за наличия частиц с метастабильными уровнями активная среда может быть легко переведена в состояние инверсной населенности. В этом состоянии число атомов на метастабильных уровнях будет больше, чем на нижележащих. Т.е. активная среда в инверсном состоянии обладает избыточной энергией, и эта энергия может быть превращена в вынужденное (лазерное) излучение.
Перевод активной среды в состояние с инверсной населенностью называется накачкой. Накачку можно осуществлять разными способами, например, за счет облучения интенсивным световым потоком, за счет электрического разряда, химической реакции, газодинамического истечения и т.п.
Рассмотрим процессы, протекающие в умозрительной активной среде, предположив, что в создании инверсной населенности участвуют три энергетических уровня: основное состояние Е1 , возбужденный уровень Е2, и метастабильный (возбужденный) уровень Е3 (рис.2) Отметим, что классическая трехуровневая схема может быть с успехом применена для объяснения механизма формирования вынужденного излучения во многих активных средах.
При интенсивной накачке активной среды происходит заселение возбужденного уровня Е2 (см. рис.2). Время жизни состояния Е2 невелико (порядка 10-8 с) и оно распадается по двум каналам - за счет обратных спонтанных излучательных переходов, а также за счет безызлучательных переходов Е2 – Е3, которые более вероятны, чем переходы Е2 - Е1. Возбужденный уровень Е3 является метастабильным, поэтому на нем накапливается больше частиц активной среды, чем на основном уровне Е1, т.е. создается состояние инверсной населенности.
При спонтанном переходе Е2 - Е1 рождается фотон, который сталкиваясь с частицами активной среды, находящимися в состоянии Е2, индуцирует их переход в основное состояние Е1. При этих переходах частицами излучаются фотоны, которые, сталкиваясь с другими возбужденными частицами, сами инициируют испускание дополнительных фотонов. В результате образуется (генерируется) каскад фотонов с очень близкими энергиями, которые летят в одном направлении с первым фотоном, инициировавшим их излучение.
 |
Лазер, в принципе, состоит из трех главных элементов: устройства, поставляющего энергию для преобразования ее в лазерное излучение; активной среды, которая накапливает эту энергию и переизлучает ее в виде лазерного излучения; и устройства обратной связи (оптического резонатора).
Рассмотрим устройство и принцип действия газового лазера на примере лазера на смеси He-Ne (рис. 3).
 |
За счет подводимой к электродам электрической мощности возникает газовый разряд. Образующиеся в разряде электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их в возбужденное состояние, что отражено на рис.4 стрелкой He (1 – 2). Возбужденное состояние 2 атома гелия близко по энергии к возбужденному состоянию 4 атома Ne. Передача энергии от атомов гелия к атомам неона происходит при их столкновении и отображена на рис. 4 пунктирной стрелкой. Уровень 4 атомов неона является метастабильным и оказывается перенаселенным. При попадании в метастабильные атомы фотонов с энергией, равной энергии перехода с 4 уровня на 3, индуцируется новые переходы с уровня 4 на уровень 3, сопровождающиеся лазерным излучением с длиной волны 632,8 нм. Фотоны, движущиеся параллельно оси трубки, отражаются от зеркал, многократно проходят через газовый разряд в смеси неона и аргона и вовлекают все большее число атомов неона в процесс генерации лазерного излучения. В результате поток циркулирующих между зеркалами фотонов резко возрастает. Одно из зеркал делают полупозрачным и способным пропускать несколько процентов фотонов, которые и создают лазерный луч.
Энергетические уровни 3 и 4 состоят из близкорасположенных отдельных подуровней, различные комбинации переходов между которыми приводят к появлению излучения с разными длинами волн. Однако можно настроить резонатор на нужную длину волны, подбирая расстояние между зеркалами так, чтобы выполнялось условие 2L = kλ, где k = 1,2,3,… .
Т.к. торцевые окна на разрядной трубке приклеены под углом Брюстера к ее оси, то многократно отражаясь от зеркал и многократно проходя через окна, лазерное излучение становится плоскополяризованным.
Особенностям лазерного излучения является:
- высокая интенсивность;
- малая расходимость (узкая направленность);
- высокая монохроматичность и когерентность;
- высокая степень поляризованности.
Экспериментальная часть
Описание установки. Схема установки по наблюдению дифракции лазерного излучения показана на рис.5.
Излучение лазера 1 падает на препятствие 2 (дифракционная решетка, тонкая нить, отверстие и т.п.) и, дифрагируя на нем, создает на экране 3 дифракционную картину. Все три элемента укреплены на оптической скамье 4, снабженной масштабной линейкой 5. Ход лучей при дифракции на решетке показан на рис. 6. Поскольку лазерное излучение имеет малый угол отклонения, падающие на дифракционную решетку лучи можно считать параллельными Условие главных максимумов при дифракции пучка параллельных лучей на дифракционной решетке имеет вид
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.