- •Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Одно из основных достижений квантовой физики - создание лазеров. С их появлением практически
- •История развития методов генерации электромагнитного излучения
- •В50-х годах 20-го столетия зародилась и начала
- •Рассмотрим систему из атомов и излучения, находя-
- •Чтобы изолированный атом изменил свое энергети-
- •Другими словами, если атом в данный момент вре-
- •Рассмотрим сначала спонтанные пе-
- •Интенсивность спонтанного излучения, как видно из
- •Полученные результаты позволяют эксперименталь-
- •Таким образом, прослеживая затухание свечения
- •Теперь рассмотрим индуцированное излучение. Ес- ли на атом действует внешнее электромагнитное поле с
- •Переходы 1 → 2 происходят в результате поглоще- ния кванта света атомом. Их
- •Сдругой стороны, это же отношение может быть вы-
- •Вкурсе оптики была получена формула Планка для спектральной плотности излучения:
- •Это свойство легко понять, если обратить внимание
- •Итак, принцип работы лазеров основан на открытом А.Эйнштейном в 1917 г явлении индуцированного
- •В1954 г, который считается годом рождения кванто-
- •В1955 году одновременно в
- •Общие принципы работы квантовых генераторов
- •Вычислим изменение интенсивности проходящего
- •Таким образом, суммарный энергетический баланс
- •При равновесном распределении это невозможно,
- •Инверсная заселенность является необходимым, но не достаточным условием усиления излучения. В
- •Обычно коэффициент усиления очень мал, так что
- •С этой целью активная среда помещается внутрь ре- зонатора, образованного двумя параллельными зеркалами,
- •Мощность излучения будет нарастать до тех пор, по-
- •ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
- •Для создания инверсной заселен-
- •Термы неона:
- •При концентрации He:Ne
- •Современный гелий-неоновый лазер отличается от
- •ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
- •Стержень из рубина вместе с импульсной лампой
- •Е1 - основной энергетический уровень, Е2 - первый возбуж- денный уровень, который является
- •Полупроводниковые лазеры по
- •ЛАЗЕРНАЯ УКАЗКА
- •Свойства лазерного излучения во многом отличаются от свойств света, даваемого обычными источниками. Ла-
Термы неона:
Группа из 10 термов конфигурации
1s22s22p53p (кратко 2p);
Группа из 4 термов конфигурации 1s22s22p54s (кратко 2s);
Группа конфигурации 1s22s22p55s
(кратко 3s).
Важно, что уровни 2s близки по вы- соте к уровню гелия 23S1, а уров- ни 3s - к уровню 21S0 гелия. Т.к.
излучательные переходы для гелия с этих уровней запрещены, то при электрическом разряде происходит накопление возбуж- денных атомов гелия, которые, сталкиваясь с атомами неона, переводят их на уровни 2s и 3s.
При концентрации He:Ne
≈ 10:1 заселенность уровней неона 2s и 3s оказывается больше, чем уровня 2p, т.е. соз- дается система с ин- версной заселенностью
и необходимые условия
для работы лазера. Пе- реход 3s→2p дает крас-
ный свет 632.8нм, а пе-
реход 2s→2p - инфра- красное излучение
1118-1207нм. Получена
генерация и на других длинах волн (всего 30).
Современный гелий-неоновый лазер отличается от
лазера Джавана только современным дизайном.
Стеклянная трубка заполнена газовой смесью низко- го давления. Перед началом работы производится
поджиг: молекулы газа ионизируются высоковольт-
ным импульсом. Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами - полностью от- ражающим и полупрозрачным, через которое вы-
водится лазерное излучение.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Твердотельные лазеры работают на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриево-
го граната и на стекле с примесью редкоземельно-
го элемента неодима.
Создание инверсной заселенности ("накачка") в та-
ких лазерах производится с помощью мощных импульсных ламп. Энергия световой вспышки пре- вращается в лазерный импульс.
Стержень из рубина вместе с импульсной лампой
накачки окружен отражателем и помещен между парой зеркал. Рубин представляет собой кристалл двуокиси алюминия Al2O3, в кристаллической ре-
шетке которого некоторые атомы алюминия заме-
щены ионами хрома Cr3+, которые и являются ак- тивными атомами в рубиновом лазере; их число
составляет ок. 0.05% от полного числа атомов.
Е1 - основной энергетический уровень, Е2 - первый возбуж- денный уровень, который является метастабильным
(время жизни ок. 3·10-3 с).
Полосами Е3 и Е3' обозначе- ны зоны, куда переходят ио- ны хрома при поглощении
излучения от лампы накач-
ки. Из этих зон ионы хрома переходят на уровень 2, где
накапливаются создавая ин-
версную заселенность. Пе- реход 2→1 происходит с из- лучением 690нм.
Полупроводниковые лазеры по
своему устройству и внешнему виду сильно отличаются от других
лазеров. Эти лазеры излучают за
счет квантовых p-n переходов ме- жду зоной проводимости и валент-
ной зоной. Излучающая область
лазера очень мала (длина ок. 1мм, толщина ок. 2мкм), но энергия из-
лучения достигает 10 Вт. Наибо-
лее распространенный материал для этих лазеров - арсенид галлия GaAs. Первый полупроводниковый лазер построил Р.Холл (США) в 1962 году.
ЛАЗЕРНАЯ УКАЗКА
Устройство лазерной указки. Источником питания (1) служат соединенные последовательно миниатюр- ные элементы питания с ЭДС 1.2 В каждый. Элект- ронная схема (2) с кнопкой включения смонтирова-
на в середине корпуса и подключена к лазерной
головке (3). Лазерное излучение имеет длину вол- ны от 630 до 680 нм и мощность ок. 1 милливатта.
Линза (4) фокусирует его в тонкий луч.
Свойства лазерного излучения во многом отличаются от свойств света, даваемого обычными источниками. Ла- зерное излучение является остронаправленным: угол расходимости лежит в пределах от 0.2 миллирадиан у гелий-неонового лазера до 0.02 радиан у полупровод- никовых лазеров, в то время как обычные источники излучают энергию одинаково во всех направлениях. Лазерное излучение является монохроматичным и ко- герентным. Благодаря этим отличиям энергия лазер- ного луча может быть почти вся собрана и сфокусиро- вана на малой площади, что невозможно для обычных источников света. Например, свет от дуговой ртутной лампы 1000 Вт (один из наиболее мощных обычных источников) с помощью линз и зеркал можно сфокуси- ровать до плотности мощности 100 Вт/см2, а излуче- ние от лазера мощностью 100 Вт - в пятно с плотнос- тью мощности 106 Вт/см2.