Фізика 11 клас

ОПТИКА І КВАНТОВА ФІЗИКА

 

РОЗДІЛ. 4 Хвильова і квантова оптика

 

§. 41 КВАНТОВІ ГЕНЕРАТОРИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

 

На сьогодні є джерела світла, в яких атоми випромінюють світло однієї і тієї ж частоти, поляризованої в одній і тій же площині. Такі джерела когерентного світла отримали назву лазерів. Розглянемо їх принцип будови і роботи.

У 1917 р. А. Ейнштейн на основі теоретичного аналізу дійшов висновку, що перехід атомів із збудженого стану в незбуджений може бути не тільки спонтанним, а й вимушеним, індукованим. Він може відбутися під дією зовнішнього фотона, який проходить поблизу збудженого атома. При цьому атом (молекула, йон) випускає фотон, який абсолютно не відрізняється від того фотона, що викликав перехід атома із збудженого стану в незбуджений. Не змінюється при цьому і фотон, що викликав індуковане випромінювання (мал. 182, а).

Фотон, зустрічаючи на своєму шляху збуджений атом, нібито вибиває з останнього свого двійника. Обидва фотони мають однакові частоти, напрям руху, фази і площини поляризації.

У 1940 р. В. Фабрикант запропонував метод посилення світла на основі використання явища індукованого випромінювання. Суть цього методу полягає в наступному. В атомів деяких речовин є такі збуджені стаціонарні стани, в яких атоми можуть знаходитися досить довго (до декількох секунд). Такі стани отримали назву — метастабільні. Приклад речовини, в атомів якої спостерігається метастабільний стан, — це рубін — оксид алюмінію, в якому частина атомів алюмінію заміщена йонами хрому, що мають метастабільний стан.

Під час опромінення рубіна зеленим світлом йони хрому збуджуються і переходять у стаціонарний стан, якому відповідає енергетичний рівень Е3 (мал. 182, б). Через дуже малий інтервал часу (порядку 10-8 с) більшість збуджених атомів хрому переходять на метастабільний рівень Е2.

Перехід з рівня Е3 на рівень Е2 не супроводжується випромінюванням; енергія, що звільняється при цьому переході, передається кристалічній ґратці, внаслідок чого підвищується температура кристала. Якщо кристал

 

 

Мал. 182

 

 

Мал. 183

 

рубіна тривалий час освітлювати, то відбудеться дуже щільне «заселення» метастабільного рівня йонів хрому (мал. 183, а). Якщо в рубіновий стержень через один його торець надходить слабкий пучок світла у напрямі осі стеожня то фотони, енергія яких hv дорівнює різниці Е2 — Е1 енергій йона хрому метастабільному й основному станах, викликають індуковані перехопи цих йонів із стану Е2 в стан Е1 випускання фотонів такої ж енергії:

hv = Е2- Е1.

Число фотонів подвоюється. Підкреслимо, що фотони індукованого випромінювання не відрізняються від фотонів, що викликали індуковані переходи йонів хрому не тільки за енергією і частотою, а й за фазою, напрямом поширенням і поляризацією.

Подвоєні однакові фотони, рухаючись у рубіновому стержні, викликають індуковане випромінювання нових йонів хрому. При цьому число фотонів стає вже в 4 рази більше від їх початкового числа в підсилюваному пучку світла. Поки в рубіновому стержні є достатньо йонів хрому, що знаходяться в метастабільному стані, процес продовжується, і число фотонів, що рухаються до іншого торця стержня, збільшується лавиноподібно (мал. 183, б). Внаслідок цього з рубінового стержня виходить пучок когерентного світла, енергія якого значно більша за енергію пучка світла, що ввійшов до стержня, тобто відбувається посилення світлового пучка.

Проте важливий не тільки факт збільшення енергії світлового пучка. Ще важливіше те, що таким чином виходить пучок когерентного світла, в якому частота, фаза, поляризація і напрям руху в усіх фотонів однакові.

Від підсилення світла на основі використання принципу індукованого переведення атомів з метастабільного стану в стійкий один крок до генерування когерентного випромінювання. На мал. 184 показана спрощена схема рубінового лазера.

Основні вузли лазера: рубіновий стержень 1, дзеркала 2 і ксенонова газорозрядна лампа 3, випромінювання якої, потрапляючи в рубіновий стержень, переводить йони хрому в збуджений стан.

 

Мал. 185

 

Якщо йони хрому збуджені і багато яких з них знаходиться в метаставільному стані, то система буде нестійкою. У ній вірогідні спонтанні переходи йонів хрому з метастабільного в основний стан. Як ви вже знаєте, при таких переходах випромінюються фотони з енергією hv = E2-E1. Напрям руху фотона, що спонтанно випромінюється, передбачити не можна — він довільний. Різні фотони, що спонтанно випромінюються, рухаються за різними напрямами. Якщо фотон видетів у напрямі, не паралельному осі рубінового стержня, то він незабаром досягне бічної стінки і покине стержень (мал. 185).

Проте серед фотонів, що спонтанно вилітають, неодмінно будуть і такі, які рухаються паралельно осі рубінового стержня. На шляху свого руху вони викликають індуковані переходи атомів хрому, і кількість фотонів швидко збільшується, поки світло не досягне торця стержня. Відбившись від дзеркала (повністю і частково), фотони знову проходять по стержню і їх кількість продовжує збільшуватися.

Кожного разу при досягненні потоком фотонів напівпрозорого дзеркала велика його частина виходить назовні у вигляді червоного променя когерентного випромінювання. Оскільки всі фотони мають однакові напрями руху, то значна енергія випромінювання концентрується у вузькому пучку.

Генератори індукованого когерентного випромінювання називають лазерами.

Ця назва виправдана тим, що під час генерації основну роль відіграє процес посилення світла за рахунок індукованого випромінювання.

За фундаментальні роботи зі створення лазерів фізикам М. Басову і О. Прохорову в 1959 р. було присуджено Ленінську премію. У 1963 p. М. Басов, О. Прохоров і американський фізик Ч. Таунс за роботи в галузі лазерів були удостоєні Нобелівської премії.

Зі створенням лазерів виникли нові розділи оптики, що вивчають властивості і можливе практичне застосування когерентного світла.

Лазери знаходять дуже широке застосування в сучасній техніці.

Один із напрямів в практичному застосуванні лазерів зв’язаний з тим, що в лазерному пучку світла вдається сконцентрувати дуже велику потужність (до десятків мегават). Лазери застосовують для зварювання і різання тугоплавких матеріалів, для свердління отворів (наприклад, в алмазах); у медицині — для проведення тонких і складних операцій (наприклад, для приварювання сітківки ока, що відшарувалася). За допомогою лазерів здійснюється точкове зварювання при виробництві напівпровідникових приладів.

Інший напрям у застосуванні лазерів пов’язаний з тим, що світло, яке випромінюється лазером, при поширенні майже не розсіюється. Цю властивість лазерного світла використовують, наприклад, для прокладання ліній метрополітену, для вимірювання відстаней і кутів у геодезії, для визначення швидкостей і курсу кораблів, літаків, ракет, для локації планет.

Третій напрям у використанні лазерів пов’язаний з когерентністю випромінюваного лазером світла: світло лазера має дуже вузький спектр, його можна модулювати і за його допомогою передавати інформацію. На сьогодні діють лазерні лінії зв’язку. Лазери використовують для запису телевізійних зображень.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити