Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Действительно, менее чем через год Шавлов высказал предположение, что
рубин (двуокись алюминия А1г03 с небольшой добавкой окиси хрома Сг203 в
качестве "примеси") может служить требуемым активным материалом. "Рубин
имеет широкую полосу поглощения в области зеленого цвета, а остальные
полосы приходятся на область ультрафиолета. При возбуждении кристалл
рубина излучает большое число узких линий в дальней красной области (А, ~
7000 А). Две наиболее интенсивные линии (А, = 6919 и 6934 А) связаны с
переходом в основное состояние, так что всегда большая часть атомов будет
находиться в низших состояниях, и эти переходы непригодны для создания
лазерного эффекта. Однако наиболее интенсивный сателит с А,=7009 А связан
с переходом в нижнее состояние, обычно не занятое при температурах
жидкого гелия, и это состояние может быть использовано".
В том же сообщении Шавлов упомянул об исследованиях Али Джавана из
Гарвардского университета по энергетическим переходам при соударениях в
смеси двух сортов газов: эти соударения могли привести к требуемой
инверсии заселенностей Такой механизм со все-менем нашел применение в
важном классе лазеров. Однако первым материалом, который позволил
добиться успеха, оказался рубин, хотя механизм его действия был ближе к
тому, что рассматривался в совместной работе Шавлова и Таунса, нежели к
изложенному в сообщении Шавлова.
Рубин, хорошо известный драгоценный камень, оказался очень полезным для
физиков. Во-первых, его достаточно легко получить искусственным путем;
во-вторых, его кристаллическая структура весьма проста, хотя р не
тривиальна. Наконец, ионы хрома обладают магнитными и оптическими
свойствами, которые можно использовать. Рубин действительно широко
применялся
275
как активная среда для мазеров на твердом теле. Одним из многих
исследователей, работавших с рубином, был Мейман, изучавший в связи с
этим поведение ионов хрома. Первые шаги на пути, который в итоге привел
его к созданию лазера, состояли в следующем: он обнаружил, что при
возбуждении рубина зеленым светом
Рис. 13 3. Схема энергетических уровней в рубине.
Заштрихованные полосы обозначают широкие зоны энергии Символы, нанесенные
рядом с уровнями, описывают определенные свойства симметрии этих уровней
[Phys. Rev. Lett , 4 (I960), стр 564, рис. 1].
большая часть переходов в основное состояние сопровождается
флуоресценцией с излучением красного света с длиной волны около 6900 А, и
показал, что можно значительно уменьшить заселенность основного
состояния. Об этом Мейман сообщил в Physical Review Letters в июне 1960
г.
"На рис. [13.3] показаны процессы, преобладающие в флуоресцирующем
веществе при облучении его светом соответствующей длины волны. Здесь W13-
вероятность перехода в единицу времени под действием возбуждающего
излучения, Smn - скорости распада состояний как в результате
излучательных, так и безызлучательных
276
процессов. Для данного кристалла S21 легко найти по скорости распада
флуоресцирующего уровня (2?) после выключения источника возбуждения.
Время жизни уровня для такого процесса составляет ~5 мс. Варшаньи, Вуд и
Шавлов показали, что это время жизни почти целиком обусловлено спонтацным
излучением, следовательно, величина S21 примерно равна коэффициенту
Эйнштейна А21.
Приближенное значение для скорости перехода S32 было получено следующим
образом. Кристалл рубина облучался светом с длиной волны 5600 А, который
поглощался на низшей полосе (1А2 -> 4F2). Использованный образец
представлял собой кубик с ребром 1 см, вырезанный из куска обычного
розового рубина с концентрацией СггОз в А1203 по весу примерно 0,05%. Во
вторичном излучении кристалла в направлении, перпендик>лярном падающему
пучку, наблюдались две составляющие, первая соответствовала переизлучению
на длине волны падающего света (спонтанный распад состояния 4F2)\ вторая
- флуоресценции (спонтанный распад состояния 2Е). Интенсивность первой
компоненты пропорциональна hv3iNsA3u где iV3 - заселенность уровня 3, А31
- коэффициент Эйнштейна для перехода ^2-^кА2, который вычисляется по
измерениям коэффициента поглощения и ширины линии для этого перехода (A3i
~ - 3 • 105 с-1). Аналогично интенсивность второй, флуоресцентной
компоненты пропорциональна hvuNiAu. Измеряя отношение интенсивностей этих
двух компонент и используя дополнительное условие N2S2i = iV3S32,
характеризующее стационарное состояние, а также приближение S2i = A2i,
находим величину S32 - 2 • 107 с-1.
При измерении квантового выхода флуоресценции - отношения числа
излученных квантов флуоресценции к числу квантов, поглощенных кристаллом
из источника излучения, - получено значение, близкое к 1. Этот результат
вновь подтверждает, что время жизни уровня 2 определяется в основном
излучательными переходами, а также условием S32 53i...
Вычисления с использованием ранее полученных результатов показали, что
должно легко наблюдаться изменение заселенности основного состояния
