Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Лазеры

Квантовая физика

Лазеры

План урока

  • Спонтанное и индуцированное излучения
  • Лазеры

Цели урока

  • Знать, какое излучение называется спонтанным, а какое - вынужденным (индуцированным)
  • Знать основную особенность индуцированного излучения
  • Знать, как устроен рубиновый лазер
  • Знать основные особенности и сферы применения лазеров

Разминка

  • Опишите модель атома Резерфорда.
  • Сформулируйте второй постулат Бора.
  • Переходы с каких энергетических уровней соответствуют серии Лаймана?

Спонтанное и индуцированное излучения

 

В числе самых значимых достижений физики второй половины ХХ века явилось открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора – оптического квантового генератора, или лазера. Слово “лазер” образовано следующей аббревиатурой: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В переводе это означает “усиление света с помощью вынужденного излучения”. Если атом обладает избытком энергии, иными словами находится в возбужденном состоянии, то с течением времени возможны самопроизвольные переходы электронов на более низкие энергетические уровни, сопровождающиеся излучением. Такие переходы носят вероятностный характер, поскольку они обусловлены внутренними процессами в атоме. Таким образом, самопроизвольное излучение называют спонтанным

Рис. 1. Вынужденное излучение Рис. 1. Вынужденное излучение

Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает изучение независимо от других.


В 1917 г. А. Эйнштейн высказал предположение, что переходы электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием изучения могут происходить не только самопроизвольно (спонтанно), но и в результате действия падающего на него света. Если энергия падающего фотона равна разности энергий двух энергетических уровней Ek-Em, то под действием этого фотона происходит переход, сопровождающийся излучением еще одного фотона. Такое излучение называют индуцированным (или вынужденным), а сопровождающее его излучение - индуцированным (или вынужденным) излучением. Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбуждённого атома. Таким образом, в результате взаимодействия возбуждённого атома с фотоном получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца (рис. 1). Эти два фотона-близнеца, в свою очередь, встретившись с парой возбужденных атомов могут индуцировать появления следующих “близнецов”. Данный процесс носит лавинообразный характер, то есть с каждым разом нарастает количество фотонов. В конечном итоге получается мощное когерентное (самосогласованное) излучение. 


Вынужденное излучение и вызвавшее его излучение имеют одинаковые фазы, поляризации и направления распространения.


Для создания интенсивного вынужденного излучения необходимо, чтобы в среде  имелось достаточно много атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Такую среду называют активной средой.

 

Рис. 2. Населённость энергетических уровней: a) нормальная; b) инверсная Рис. 2. Населённость энергетических уровней: a) нормальная; b) инверсная

При прохождении света через вещество происходит поглощение фотонов атомами и индуцированное излучение фотонов атомами, находящимися в возбуждённом состоянии. Для того чтобы мощность светового излучения увеличивалась после прохождения через вещество, в веществе больше половины атомов должны находиться в возбуждённом состоянии. Состояния вещества, в которых меньше половины атомов находится в возбуждении состоянии, называются состояниями с нормальной населённостью энергетических уровней (рис. 2. а). Состояния вещества, в которых больше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называются состояниями с инверсной населённостью уровней (рис. 2. b). В веществе с инверсной населённостью уровней возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых; поэтому чаще должны происходить процессы индуцированного излучения фотонов, чем их поглощения. В результате при прохождении света через вещество с инверсной населённостью уровней должно происходить усиление потока света, а не ослабление. 

 

Лазеры

 

Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу устройства лазеров.

Способность усиления электромагнитной волны, которая обусловлена вынужденным излучениям, была предсказана советским физиком В. А. Фабрикантом в 1939 г. Уже в 1954 г. советские ученные Н. Г. Басов, А. М. прохоров и американский физик Ч. Таунс создали первый генератор когерентных радиоволн с длинной волны порядка 1,27 см. В 1964 г. эти ученные были удостоены Нобелевской премии. Первый лазер, работающий в видимом диапазоне длин волн, был сконструирован в 1960 г. американским физиком Т. Майманом. 

В зависимости от агрегатного состояния активной среды лазеры разделяют на жидкостные, газовые и твердотельные. Рассмотрим принцип работы твердотельного лазера. В первых таких лазерах активной средой был кристалл рубина (Al2O3), в котором небольшая часть (около 0,05%) атомов алюминия замещена атомами хрома (рис. 3). Этот основной элемент лазера обычно представляет собой стержень цилиндрической формы длиной примерно 20 см и  диаметром до 2 см. Торцы цилиндра строго параллельны, на них нанесён слой серебра. Параллельные друг другу торцы рубинового стержня тщательно отшлифованы. Один из них делают зеркальным, а другой частично прозрачным.

Рис. 3. Твёрдотельный рубиновый лазер Рис. 3. Твёрдотельный рубиновый лазер

Рубиновый стержень помещён внутри импульсной спиральной лампы, являющейся источником возбуждающего излучения. Лампа испускает импульс света длительностью порядка единицы 10-3 с, а мощность такого излучения может достигать 107 Вт. Атомы хрома, поглощая излучения длиной волны 560 нм, содержащееся в спектре излучения лампы, переходят с основного уровня на второй возбуждённый уровень. Этот процесс часто называют оптической накачкой среды.

Рис. 4. Энергетические переходы электронов в лазаре Рис. 4. Энергетические переходы электронов в лазаре

Время жизни атомов хрома на втором возбуждённом уровне мало. Большая часть возбуждённых атомов совершает переходы на первый возбуждённый уровень. Этот уровень является метастабильным, т. е. в этом состоянии атомы находятся дольше, чем в обычном возбуждённом состоянии. Большинство возбужденных электронов через время τ3=10-8 с переходят с уровня E3 на уровень E2. При этом излучения не происходит, а соответствующий избыток энергии передается кристаллической решетке рубина. Время жизни электронов на метастабильном уровне  E2 составляет τ2=10-3 с. Поэтому за время оптической накачки в кристалле рубина образуется достаточно большое количество возбужденных атомов хрома. Кристалл становится активной средой.


Достаточно одному атому хрома совершить спонтанный переход с метастабильного уровня на основной с испусканием фотона, как возникает лавина фотонов-близнецов, вызванная индуцированным излучением атомов хрома, находящихся в метастабильном состоянии. Если направление движения первичного фотона строго перпендикулярно плоскости зеркала на торце рубинового цилиндра, то первичные и вторичные фотоны отражаются от первого зеркала и летят через кристалл до второго зеркала. На своём пути они вызывают вынужденное излучение у новых атомов хрома, и процесс продолжается. Фотоны, имеющие составляющую скорости, перпендикулярную оси рубинного стержня, покидают кристалл через его боковые стенки. Процесс высвечивания всех возбуждённых атомов хрома завершается за 10−8−10−10 с. Мощность светового излучения лазера при этом может быть более 109 Вт, т. е. превышать мощность крупной электростанции. При этом напряженность электрического поля в световой волне лазера превышает напряженность электрическую напряженность вну

 

В газовых и полупроводниковых лазерах среда становится активной за счет протекания через нее электрического тока. Существуют лазеры, в которых в энергию светового излучения преобразуется химическая и тепловая э


Основными особенностями лазерного излучения являются когерентность, возможность получения световых пучков с очень малой расходимостью, возможность получения потоков излучения с очень большой мощностью.

Лазерные лучи применяют при обработке металлов, в медицине, физических, химических и биологических исследованиях.


Контрольные вопросы

 

1. Какой источник света называют лазером?
2. Какое излучение называют спонтанным?
3. Какое излучение называют вынужденным? Каковы его особенности?
4. Объясните, в чём разница между состояния с нормальной населённостью уровня от состояния с инверсной населённостью?
5. Расскажите об устройстве и принципе действия рубинового лазера.
6. Опишите основные особенности лазерного излучения.
7. Приведите примеры использования лазеров.


Следующий урок
Фотоэффект
Квантовая физика
  • Гипотезы происхождения жизни на Земле

    Биология

  • Обращение

    Русский язык

  • Преобразование энергии при механических колебаниях. Математический маятник

    Физика

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке