Принцип действия лазеров.

Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из

нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой v, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней E₁ , E₂ атомов или молекул среды (hn = E₂ - E₁ , где h - Планка постоянная), к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне E₁ , в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровень E₂.

Число таких переходов пропорционально r (n) N₁ , где r (n) - спектральная плотность излучения в эрг/см³ , N¹ – концентрация атомов, находящихся на уровне E₁ (населённость уровня). Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне E₂ , под действием квантов hn вынужденно переходят на уровень E₁.Число таких переходов пропорционально r (n) N₂ , где N₂ - концентрация атомов на уровне E₂ . В результате переходов E₁ ? E₂ волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E₂ ? E₁ световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой волны определяется разностью (N₂ - N₁ ). В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N₁ всегда больше населённости верхнего N₂. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т. е. имеет место поглощение света. Однако в некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, когда возникает инверсия населённостей уровней E₁ и E₂ , при которой N₂ > N₁. При этом вынужденные переходы E₂ ? E₁

преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E₁ ? E₂. Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.

(Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

hn=E₂–E₁

равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.

2 2

1 1

а б Рис.1

Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

n=

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические со­стояния, излучая волны, совпадаю­щие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна, а на ри­сунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное состоя­ние, а волна усилилась.

2 2

1 1

а б Рис. 2

)

Применение лазеров.

Большие возможности открываются перед лазерной техникой в биологии и медицине. Лазерный луч применяется не только в хирургии (например, при операциях на сетчатке глаза) как скальпель, но и в терапии. Интенсивно развиваются методы лазерной локации и связи.

Локация Луны с помощью рубиновых лазеров и специальных угловых отражателей, доставленных на Луну, позволила увеличить точность измерений расстояний Земля - Луна до нескольких см. Получены обнадеживающие результаты в направленном стимулировании химических реакций. С помощью лазеров можно избирательно возбуждать одно из собственных колебаний молекулы. Оказалось, что при этом молекулы способны вступать в реакции, которые нельзя или трудно стимулировать обычным нагреванием. С помощью лазерной техники интенсивно разрабатываются оптические методы обработки передачи и хранения информации, методы голографической записи информации, цветное проекционное телевидение.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: