Лабораторная. Лабораторная работа 52 газовый лазер контрольные вопросы. Что такое когерентность излучения
 Скачать 57 Kb.
|
|
Лабораторная работа № 52 ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Контрольные вопросы. 1. Что такое когерентность излучения? 2. Спонтанные и вынужденные переходы в квантовых системах. 3. Что такое инверсная населенность? Способы ее получения. 4. Принцип действия, устройство лазеров и их отличие от обычных источни- ков излучения. 5. Основные типы лазеров, их характеристики и области применения. 1.Рассмотрим вначале понятие когерентности излучения. Накладывающисяе в пространстве волны называются взаимно когерентными, если разность их фаз в каждой точке постоянна во времени. При наложении взаимно когерентных волн возникает устойчивая интерференционная картина. Наряду с понятием взаимной когерентности волн используется понятие просто когерентности излучения. Различают когерентность временнýю и пространственную. 2. По А. Эйнштейну возможны два типа излучательных переходов. Во-первых, это спонтанные (самопроизвольные) переходы "сверху вниз" (см. рис. 3а). П  оскольку возможно множество различных спонтанных переходов (E1 → E0, E2 → E1, E2 → E0и другие), а каждому из них соответствует своя частота испущенной волны, то возникающее в результате спонтанных переходов излучение немонохроматично. При этом фаза, направление распространения и поляризация волн, соответствующих излучаемым квантам, различны. Немонохроматическое, ненаправленное, неполяризованное излучение обычных источников, имеющее малую когерентность, обусловлено именно спонтанными переходами. Во-вторых, между каждой парой уровней En и Em (будем считать, что En > Em) возможны вынужденные (индуцированные) переходы, вызываемые идущим сквозь вещество электромагнитным излучением, у которого энергия квантов удовлетворяет условию hν = En - E m. (2) Если атом находился в состоянии с меньшей энергией Em, то его вынужденный переход в состояние с энергией En сопровождается поглощением кванта (рис. 3б). Такие переходы "снизу вверх" являются причиной ослабления (поглощения) излучения в веществе. Если атом находился на верхнем уровне En, то при вынужденном переходе на более низкий уровень Em он отдает высвобождающуюся энергию в виде кванта hν = En - E m (рис. 3в). Замечательной особенностью таких вынужденных переходов "сверху вниз" является то, что частота, фаза, направление распространения и поляризация испускаемой при этом волны такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход. То есть при таких переходах происходит когерентное усиление излучения. Для одной частицы вероятности вынужденных переходов En → E m и E m → En равны, но при термодинамическом равновесии населенность нижнего из уровней En и E m больше, поэтому при прохождении сквозь вещество излучения с частотой, удовлетворяющей условию (2), вынужденные переходы "снизу вверх" происходят чаще, чем "сверху вниз", и поглощение излучения преобладает над усилением. Однако если среду привести в состояние инверсии (инверсной населенности), когда населенность хотя бы одного из верхних уровней (En) будет больше населенности хотя бы одного из нижних уровней (Em), то усиление излучения с частотой ν = (En - E m)/h будет преобладать над поглощением. Среду с инверсной населенностью называют также активной. Такая среда представляет собой оптический квантовый усилитель (ОКУ), усиливающий свет указанной частоты, но не вырабатывающий его сам. 3. Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем. В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2>n1, т. е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой. 4 5. Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) - это источники электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового, инфракрасного), отличающиеся от обычных источников (тепловых и люминесцентных) чрезвычайно высокими когерентностью и монохроматичностью своего излучения. Такое отличие свойств лазерного излучения вызвано отличием в способе его получения: если в обычных источниках оно возникает в результате спонтанных (самопроизвольных) переходов атомов (молекул) из состояний с большой энергией в состояния с меньшей энергией, то в лазерах - в результате вынужденных (индуцированных) переходов. Кроме того, излучение лазеров отличается высокой направленностью, поляризованностью, а у некоторых типов лазеров – также чрезвычайно высокой мощностью. |