- Спонтанное и индуцированное излучения
- Лазеры
- 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
- 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 возбуждённом 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
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 , то под действием этого фотона происходит переход, сопровождающийся излучением ещё 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 возбуждённых 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 возбуждённом состоянии. Такую среду называют активной.
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. 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, называются состояниями с нормальной населённостью энергетических уровней (рис. 2, а). Состояния вещества, в которых больше половины атомов находится в возбуждёнии, 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 вынужденными излучениями, была предсказана советским физиком
В. А. Фабрикантом в 1939 г. Уже в 1954 г. советские учёные 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 учёные 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 (), 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. Твердотельный рубиновый лазер
Рубиновый стержень помещён внутри импульсной спиральной лампы, являющейся источником возбуждающего излучения. Лампа испускает импульс света длительностью порядка единицы с, а мощность такого излучения может достигать Вт. Атомы хрома, поглощая излучения с 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
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 возбуждённых электронов через время с переходят с уровня E3 на уровень E2. При этом излучения не происходит, а соответствующий избыток энергии передаётся кристаллической решётке рубина. Время жизни электронов на метастабильном уровне E2 составляет с. Поэтому за время оптической накачки в кристалле рубина образуется достаточно большое количество возбуждённых 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 с составляющей скорости, перпендикулярной 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 напряжённость электрического поля в световой волне лазера превышает напряжённость электрическую напряжённость внутри атома.
В газовых и полупроводниковых лазерах среда становится активной за счёт протекания через неё электрического тока. Существуют лазеры, в которых в энергию светового излучения преобразуется химическая и тепловая энергия.
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 состоянием с нормальной населённостью уровня и состоянием с инверсной населённостью.
5. Расскажите об устройстве и принципе действия рубинового лазера.
6. Опишите основные особенности лазерного излучения.
7. Приведите примеры использования лазеров.
