Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Атомная (прикладная) физика

.pdf
Скачиваний:
39
Добавлен:
10.08.2019
Размер:
25 Мб
Скачать
☆

5vk.8.com/club152685050. Принцип действия| vk.com/id446425943лазеров

•Лазеры (сокращение от «light amplification by stimulated emission of radiation») и мазеры

(«microwave…») – устройства,

использующие предсказанное Эйнштейном явление вынужденного испускания для генерации когерентных потоков электромагнитного излучения.

•В 1916 г. Эйнштейн ввел понятие вынужденного излучения. На возможность его использования для усиления света первым указал В.А. Фабрикант в 1939 г.

Валентин Александрович Фабрикант (1907-1991)

•Первый мазер был создан в 1954 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и

практически одновременно –

Charles Hard Townes

 

Ч. Таунсом.

(1915-2015)

Николай Геннадиевич Басов (1922-2001)

Александр Михайлович Прохоров (1916-2002)

1

•vk.com/club152685050В рамках подхода| vk.com/id446425943Эйнштейна к описанию взаимодействия вещества и излучения можно рассмотреть задачу о поглощении в веществе введенного извне пучка лучей со спектральной компонентой интенсивности I =c .

(Привычный коэффициент 4 отсутствует, т.к. излучение не изотропно.)

•Пренебрежем спонтанным испусканием. Для него, в отличие от вынужденных процессов, число переходов не зависит от интенсивности излучения:

– dN2=A21N2 dt

Будем считать интенсивность достаточно большой.

•Поглощение будет определяться вынужденными переходами с излучением и поглощением фотонов (обозначим B=B21=B12):

– dN = B N dt

и

– dN = B N dt

2

2

 

1

1

•В результате каждого перехода число фотонов в потоке излучения изменяется на 1 в ту или другую сторону. Для изменения интенсивности можно записать:

– dI = (N1 – N2)B h dx

(считаем, что числа атомов N1 и N2 отнесены к длине пути x)

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

– dI

 

= (N

– N )B

 

h dx

 

1

2

 

•Подставим = I /c . Получим:

–dI = (h /c)B(N1 – N2) I dx

• Решение этого уравнения:

I = I 0 exp (–k x)

,

 

где коэффициент поглощения:

 

h

 

 

 

N2

 

 

 

 

 

 

 

 

k =

BN

1

−

 

(*)

 

 

 

 

 

c

1

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

•Если распределение атомов между состояниями 1 и 2 является

больцмановским

1

 

 

–

 

 

 

N

 

 

 

 

E

− E

 

 

 

 

 

= exp

2

1

 

,

 

N2

kT

 

 

 

 

с учетом соотношения

 

2 – 1= h

получаем

k =

h

BN

 

 

 

h

 

 

1

− exp

−

 

 

 

 

 

c

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kT

•Это выражение всегда положительно.

3

vk.com/club152685050 | vkh.com/id446425943N

c 1 N

1

•Однако если распределение атомов по состояниям отличается от больцмановского и окажется, что N2/N1 > 1 для 2 > 1 (такую ситуацию называют «инверсией населенности»), формула (*) дает нам k <0.

•При распространении в среде излучение не поглощается, а усиливается (!!).

•Активной средой лазера могут быть газы либо твердые тела. Инверсная заселенность создается введением в активную среду энергии. Этот процесс называется «накачкой». Энергия должна вводиться в такой (нетепловой) форме, чтобы обеспечить перевод атомов среды в состояния с энергией, равной энергии кванта генерируемого излучения (или несколько выше).

•Для того, чтобы спонтанное излучение не разрушало инверсной заселенности, используют т.н. метастабильные состояния, прямой переход из которых в основное состояние атома «оптически запрещен» (крайне маловероятен).

Осуществление вынужденных переходов из метастабильного состояния в основное достигается созданием высокой плотности излучения.k (*)= 1 − 2BN

4

•vk.com/club152685050Рассмотрим принцип| vk.com/id446425943работы лазера на примере первого рубинового лазера, созданного Т. Мейманом (Theodore Harold Maiman) в 1960 г.

•Активная среда – кристалл искусственного рубина. Это корунд Al2O3 с малой примесью Cr.

•Ионы Cr3+ определяют цвет кристалла и используются для генерации излучения.

•Упрощенная схема уровней ионов Cr3+ приведена на рисунке. →

m – основное состояние;

T – широкая зона разрешенных уровней (выше нее расположена еще одна зона, не показанная на рисунке);

n – метастабильное состояние.

•Оптическая накачка среды производится мощной импульсной лампой- «вспышкой» с широким спектром. Ионы хрома возбуждаются в зону T.

•Отсюда они с наибольшей вероятностью безызлучательно релаксируют на уровень n. Лишь небольшая часть ионов напрямую (T→m) возвращается в основное состояние в результате спонтанного излучения.

5

•vk.com/club152685050Время жизни ионов| vk.com/id446425943хрома в мерастабильном

состоянии n составляет около 3 мс. Это очень

много – для сравнения, время жизни в зоне T порядка 7 нс.

•Большое время жизни позволяет добиться инверсии населенности между состояниями m

и n (перевести в состояние n более 50% ионов) при реальной мощности накачки.

•Активная среда лазера помещается в «оптический резонатор» между двумя зеркалами, одно из которых «глухое», а другое пропускает небольшую часть (~1%) падающего излучения. В рубиновом лазере зеркала наносятся на торцы кристалла.

•После достижения инверсной населенности лазер начинает генерировать излучение. На начальном этапе один из ионов спонтанно испускает фотон с энергией перехода (n→m) в точности вдоль оси оптического резонатора.

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

•Сам первый случайный фотон и его «потомки», вынужденно испущенные другими ионами, многократно отражаются зеркалами. Это увеличивает плотность излучения в резонаторе и способствует вынужденному испусканию.

•Выходной луч покидает резонатор через «полупрозрачное» зеркало.

•Фотоны, испущенные активной средой под углом к оси резонатора, быстро выходят из активной среды и не участвуют в генерации. Поэтому угловая расходимость лазерного излучения чрезвычайно мала. Она определяется только дифракцией на выходной апертуре (фундаментальная расходимость).

•Другое уникальное свойство лазерного излучения – его когерентность. Она определяется использованием вынужденного излучения атомов, при котором испускаются точные копии исходного фотона -- по энергии, направлению распространения и фазе.

•Излучение нагретых тел преимущественно спонтанное -- из-за невозможности инверсии заселенности в состояниях, близких к равновесным. Поэтому такое излучение некогерентно.

7

vkРаздел.com/club1526850506. Волновые| vk.com/id446425943свойства частиц

6.1. Волны де Бройля. Опыты по дифракции электронов. Наблюдение интерференционных явлений для молекулярных пучков и нейтронов

•После открытия эффекта Комптона представление о том, что электромагнитное излучение сочетает в себе корпускулярные и волновые свойства, получило широкое распространение. Предпринимались попытки построения его непротиворечивого теоретического описания.

•В частности, Л. Де Бройль рассматривал световые кванты как релятивистские частицы очень малой, но конечной массы, с которыми связана некоторая внутренняя периодичность, придающая им волновые свойства.

Louis de Broglie

(1892-1987)

• Он предположил (1923 г.), что аналогичными свойствами могут обладать и

(прочие) массивные – обладающие ненулевой массой покоя – частицы.

• Частице с полной энергией и импульсом

 

p де Бойль приписал

(циклическую) частоту и волновой вектор

k .

1

•vk.com/club152685050Связь между корпускулярными| vk.com/id446425943 и волновыми свойствами задается уравнениями де Бройля, по форме совпадающими с соотношениями для

фотонов:

 

 

 

 

 

 

 

= ħ ,

p = k

•Таким образом, де Бройль сопоставил свободной частице волну, которую можно математически задать функцией:

(r , t) = А exp[i (kr − t)]

•Волна распространяется в направлении импульса частицы. Она получила название «волны материи» или «волны де Бройля»

•При этом физический смысл этой функции оставался неясным.

•Соответствующая («дебройлевская») длина волны:

=2 /k = h/p

•Оказалось, что правило квантования круговых боровских орбит в

водородоподобном атоме

Ln = mvn an = n ħ

выполняется, если на длине такой орбиты укладывается целое число длин

волн де Бройля 2 an= n .

Резонанс?

 

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943k h/p

=2 / =

•Для макроскопических тел длина волны де Бройля весьма мала. Поэтому волновыми эффектами для них можно пренебречь. Например, для тела массой 1 г при скорости 1 м/с получим 7 10–31 м.

•Для электрона с массой покоя me, имеющего кинетическую (не полную!)

энергию eU:

=

h

=

 

h

 

 

12.25

 

Å

(для U в Вольтах).

p

 

 

 

 

 

 

2meeU

U

 

 

 

 

 

 

 

•При U ~100 В дебройлевская длина волны имеет порядок межатомных расстояний в кристаллах.

•Поэтому де Бройль указал, что подтверждение его теории может быть получено в опытах по изучению дифракции электронов на кристаллах.

•И такое подтверждение было вскоре получено – в действительности, некоторые экспериментальные данные уже имелись.

3

Соседние файлы в предмете Физика