Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
В настоящее время периодическая система элементов Менделеева содержит химические элементы с атомными номерами от Z=I (водород) до Z= 104 (курчатовий). Химические элементы с атомными номерами Z= 105, Z=-1(6, Z=« = 107 окончательно не названы.
2.10. Оптические квантовые генераторы
Iе. Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) (генераторами когерентного света (ГКС)) называются источники света, работающие на принципе вынужденного (стимулированного, индуцированного) излучения либо в диа-
*) Подробное обсуждение всех нарушений в идеальном за* полпенни электронами в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева выходит за рамки данного руководства.
*.1в. оптические квантовые генераторы
455
пазоне ультракоротких радиоволн (мазеры), либо в оптическом диапазоне (лазеры) *).
2°. Вынужденным (индуцированным, стимулированным) излучением называется излучение возбужденных атомов (молекул, ионов) вещества, вызванное действием на вещество падающего на него света. Атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии (VI.2.5.3°), может перейти в низшее (обычно нормальное, основное) энер-ґетическое состояние под действием электромагнитного поля. Электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный уровень.
3°. Вынужденное излучение по своим свойствам совершенно одинаково с тем излучением, которое вызывает его появление. Новый фотон, появившийся в результате того, что атом (молекула, ион) вещества переходит с верхнего уровня Ег на нижний уровень E1 под действием света с
частотой v=^2~gl> ничем не отличается от фотона, вызвавшего его появление. С точки зрения волновой оптики явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество. При этом частота волны, направление ее распространения, фаза и поляризация волны остаются неизменными. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его проходящим светом (IV.3.9.3°).
4°. Новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет, проходящий через среду. Одновременно с индуцированным излучением происходит поглощение света. Фотон может быть поглощен атомом, находящимся на нижнем уровне E1. При этом фотон исчезает и атом переходит на возбужденный уровень Ег- Поглощение фотонов уменьшает интенсивность света, проходящего через среду. На рис. VI.2.9 схематически представлены два конкурирующих друг с другом процесса: поглощения и вынужденного излучения. Первый процесс уменьшает число фотонов, проходящих через среду. Второй процесс увеличивает число фотонов, проходящих через среду.
*) Термин лазер (laser) составлен из первых букв одного из вариантов английского названия устройства: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света с помощью стимулированного излучения. Термин «мазер» имеет аналогичное происхождение.
456
ОТДЕЛ VI. ГЛ. 2. СТРОЕНИЕ АТОМОВ
5°. Среда называется усиливающей (активная среда), если процессы вынужденного излучения преобладают над процессами поглощения света. В противном случае среда является не усиливающей, а ослабляющей свет, который через нее проходит. Усиливающая среда называется также
средой с отрицательным
4» ВзоитВейстВия
Av.
После Взаимо-ВейстВия -
5-
а) Поглощение
Av
поглощением света. В такой среде происходит быстрое возрастание интенсивности J проходящего света с увеличением толщины усиливающей среды (рис. IV.2.10) за счет лавинообразного нарастания числа фотонов. Два фотона, образовавшиеся в одном акте вынужденного излучения (рис. VI.2.11), при встрече с двумя атомами, находящимися на возбужденном уровне, свалят их на нижний уровень, и после этого будут лететь четыре одинаковых фотона и т.д. (рис. VI.2.11).
ё)дшнушденное излучение Рис. VI.2.9
AV
.AV .I)V .AV
-ftv .Av
-AV -Av -bv
Pm. VJ.2.10
Рис. VI.2.11
6°. Для получения среды с отрицательным поглощением света необходимо создать в среде необычное, неравновесное состояние (инверсное состояние *)): число атомов (молекул, ионов) на возбужденном уровне должно быть больше, чем на нижнем уровне. Такое распределение атомов по уровням является «обращенным», «перевернутым» по сравнению с обычным. Обычно на верхних уровнях атомов меньше, чем на нижних.
*) От латинского «inversio» — переворачивание.
2.10. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
457
Лазерное
Рис. VI.2.12
7°. Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды.
Практически накачка осуществляется но трехуровневой схеме ОКГ. В одном из газовых ОКГ усиливающей средой служит плазма (III.3.6.Г) высокочастотного газового разряда (III.3.3.Г), полученная в смеси гелия с неоном. На рис. VI.2.12 изображена упрощенная трехуровневая энергетическая диаграмма такого лазера. Атомы гелия возбуждаются ударами электронов и переходят в возбужденное состояние Еъ. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних уровней E2 сопровождается лазерным излучением.
