Л_Р Физика атомов и молекул_43_44_46_52. Учебное пособие по выполнению лабораторных работ по физике (модуль 6 Атомная физика) для студентов инженернотехнических направлений подготовки
 Скачать 2.11 Mb.
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫПонятие дисперсии. Чем отличаются спектры испускания и поглощения света? Какие объекты испускают линейчатый спектр? Полосатый? Сплошной? Дать объяснение. Шкала электромагнитных волн. Сравнить энергии квантов видимой части света и энергии γ-квантов. Устройство и принцип действия спектрометра-монохроматора. Фотон как элементарная частица. Энергия, масса и импульс фотона. Постулаты Бора. Чем обусловлен цвет линии и ее яркость в спектре испускания? Почему спектральная линия имеет некоторую ширину? От каких факторов зависит ширина линии (естественная ширина спектральной линии)? Квантовые числа. Атом водорода по Бору. Экспериментальная формула Бальмера. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 46 Изучение принципа действия лазера и оценка параметров лазерного излучения ЦЕЛИ РАБОТЫ: 1. Оценка длины волны лазерного излучения в видимой области с помощью дифракционной решетки. 2. Оценка степени поляризации лазерного луча 3. Оценка угла расхождения лазерного луча. 4. Сравнение спектров спонтанного вынужденного излучения. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: гелий-неоновый лазер непрерывного действия, дифракционная решётка, анализатор во вращающейся оправе, люксметр, экран, оптическая скамья с рейтерами, миллиметровая шкала, спектрометр для наблюдения спектра излучения лазера и неоновой лампы. Теоретические сведения Основы работы лазера Лазер, или оптический квантовый генератор (ОКГ), представляет собой источник когерентного излучения, которое характеризуется монохромотичностью, почти строгой параллельностью лучей, высокой плотностью потока мощности, поляризацией. Все эти свойства тесно связаны между собой и имеют общую основу – вынужденное излучение атомов. Принцип усиления электромагнитных волн в микроволновом диапазоне с помощью вынужденного излучения был предложен советскими учеными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и американским – Ч. Таунсом, независимо друг от друга. Применение этого принципа к электромагнитным волнам светового диапазона привело к созданию лазера (Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation). Первый лазер, работавший на рубине, был создан в 1960 г. Т. Мейманом, в конце этого же года Али Джаваном был сконструирован первый газовый лазер на смеси гелия и неона. Спонтанное и вынужденное излучение. Гипотезы о спонтанном и вынужденном излучении были предложены А. Эйнштейном. Молекула (атом или ион) из возбужденного состояния может перейти на более низкий энергетический уровень самопроизвольно (спонтанно) или под действием внешнего электромагнитного излучения (вынужденно). Эти переходы сопровождаются излучением, называемым соответственно спонтанным и вынужденным, причем частота излучения ν определяется соотношением hν = Em - En где Em и En – энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При вынужденных переходах излучается квант энергии, дополнительный к кванту внешнего электромагнитного излучения, его вызвавшему. Если кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, и имеет совершенно произвольную фазу, то квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант внешнего электромагнитного поля, и оказывается точно в фазе с внешним фотоном. Для того, чтобы получить когерентное излучение, необходимо уменьшить число спонтанных переходов в сравнении с вынужденными переходами. Можно показать, что доля спонтанных переходов уменьшается с увеличением плотности внешнего излучения. В лазерах для увеличения плотности излучения используется оптический резонатор. Под действием электромагнитного излучения могут происходить переходы не только с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень, но и в обратном направлении, соответствующие акту поглощения. Для того, чтобы преобладали переходы, соответствующие вынужденному излучению необходимо создать инверсную населенность уровней. Инверсная населенность. При термодинамическом равновесии распределение молекул по энергетическим состояниям определяется законом Больцмана:   , где Ni – число молекул, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией Ei.Из этой формулы следует, что чем больше значение энергии Ei, соответствующее данному уровню, тем меньше молекул находится в этом состоянии. При облучении вещества с частотой  будет преобладать эффект поглощения. Следовательно, термодинамическое равновесие необходимо нарушить, т.е. каким-либо способом создать населенность верхнего уровня большую, чем нижнего. Тогда данное вещество будет иметь инверсную населенность, т.е. обратную той, которая следует из распределения Больцмана. При облучении вещества в этом случае будут преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приведет к усилению излучения. Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным. Процесс создания инверсной населенности уровней носит название “накачки”. Методы накачки разнообразны и зависят от типа лазера: твердотельного, газового, полупроводникового и т. п.Накачка. Основной принцип процесса накачки может быть рассмотрен на примере трёхуровнего лазера (рис. 46.1). Д  ля создания инверсной населенности на уровне II по отношению к уровню I электроны внешним излучением переводятся с I уровня на III. Уровень III должен быть таким, чтобы время жизни электрона (т.е. время пребывания в этом состоянии) было очень малым порядка 10  с. Если время жизни электронов на II уровне будет значительно больше, порядка10 с, то электроны, спокойно переходя с уровня III, будут накапливаться на II уровне. При достаточно мощной накачке их число превысит число электронов на уровне I. Созданная таким образом инверсная населенность обеспечит условия для усиления излучения. Однако генерация оптических колебаний может возникнуть только в том случае, если вынужденное излучение, раз возникнув, будет вызывать новые акты вынужденного излучения. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор.Оптический резонатор представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда. Зеркала S1 и S2 могут быть плоскими или вогнутыми (рис 46.2). Важнейшее их свойство – высокие значения коэффициента отражения. Пропускание одного зеркала составляет около 1%, другого 1-2%. Оптические поверхности зеркал обрабатываются с точностью до сотых долей рабочей длины волны излучения.  Для пояснения роли системы зеркал вернемся к рисунку 46.1. С уровня II на уровень I могут происходить и спонтанные и вынужденные переходы. При спонтанном переходе одного из электронов испускается фотон, который может вызвать вынужденные переходы электронов других молекул, тоже сопровождающиеся излучением. Эти фотоны вызывают вынужденный переход в следующих молекулах и т. д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следующий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвавший. Система зеркал позволяет выбрать преимущественное направление движения фотонов – вдоль оси и под малыми углами к ней. Эти фотоны отражаются от зеркал, и снова возвращаются в активную среду. Следовательно, фотоны в этом направлении размножаются, т. к. резонатор обеспечивает многократное прохождение световых волн, распространяющихся вдоль его оси, по усиливающей среде, вследствие чего может быть достигнута высокая мощность излучения. Для возникновения резонанса необходимо, чтобы на длине резонатора L укладывалось целое число полуволн (L=  ). При достижении определенной мощности излучение выходит через зеркала (особенно через зеркало с большим коэффициентом пропускания). |