Урок 71/3

Урок 20/03 Принцип дії лазера.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation „підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання”

„Лазер – це пристрій, в якому енергія, наприклад теплова, хімічна, електрична, перетворюється в енергію електромагнітного поля – лазерний промінь. Під час такого перетворення частина енергії неминуче втрачається, але важливо, що добута в результаті лазерна енергія більш високої якості.”

М.Г.Басов

Індуковане випромінювання – випромінювання збуджених атомів під впливом світла.

Особливості:

       хвиля не відрізняється від хвилі, що падає на атом;

       кут розходження ≈ 10^-5 рад;

       монохроматичне;

       найпотужніші (10¹⁴Вт/см² за 10^-11с).

1940 р. – В.О.Фабрикант

1954 р. – М.Г.Басов, О.М.Порохов і Ч.Таунс – Нобелівська премія.

1960 р. – США – перший лазер.

Принцип дії лазерів. У звичайних умовах більшість атомів перебуває в найнижчому енергетичному стані. Тому при низьких температурах речовини не світяться.

Коли електромагнітна хвиля проходить через речовину, погли­нається електромагнітна енергія. Під впливом поглинутої енергії хвилі частина атомів збуджується, тобто переходить до вищих енергетичних станів. При цьому енергія світлового пучка змен­шується на hv = E₂ — Е₁, що дорівнює різниці енергій між рівнями 2 і 1. На малюнку 169, а схематично показано незбуджений атом і електромагнітну хвилю у вигляді відрізка синусоїди. Електрон перебуває на нижньому рівні. На малюнку 169, б зображено збуджений атом, що поглинув енергію. Збуджений атом може віддавати свою енергію сусіднім атомам під час зіткнення або випроменити фотон у будь-якому напрямі.

Тепер уявимо собі, що ми якимось способом збудили більшість атомів середовища. Тоді, проходячи через речовину, електро­магнітна хвиля з частотою

не послаблюватиметься, а, навпаки, підсилюватиметься індукова­ним випромінюванням. Під її дією атоми узгоджено переходять до нижчих енергетичних станів, випромінюючи хвилі, що збіга­ються за частотою й фазою з падаючою хвилею. На малюнку 170, а показано збуджений атом і хвилю, а на малюнку 170, б

схематично показано, що атом перейшов до основного стану, а хви­ля підсилилась.

Трирівнева система. Є різні методи утворення середовища із збудженими станами атомів. У рубіновому лазері використо­вують для цього спеціальну потужну лампу. Атоми збуджуються внаслідок поглинання світла.

Але двох рівнів енергії для роботи лазера недостатньо. Яким би потужним не було світло лампи, кількість збуджених атомів буде не більша від незбуджених. Бо світло одночасно збуджує атоми й спричинює індуковані переходи з верхнього рівня на нижній.

Вихід було знайдено у використанні трьох енергетичних рівнів (загальна кількість рівнів завжди велика, але йдеться про «діючі рівні»). На малюнку 171 зображено три енергетичних рівні. Важливо, що коли немає зовнішнього впливу, час, протягом якого атомна система перебуває в різних енергетичних станах («час життя»), різний. На рівні 3 система живе дуже мало, приблизно 10^-8 с, після чого самовільно без випромінювання переходить до стану 2 (енергія при цьому передається криста­лічній решітці). Час життя в стані 2 в 100 000 раз більший, тобто становить близько 10^-3 с. Перехід від стану 2 до стану 1 під впливом зовнішньої електромагнітної хвилі супроводиться випромінюванням, що й використовують у лазерах. Після спалаху потужної лампи система переходить до стану 3 і через проміжок часу близько 10^-8 с переходить до стану 2, в якому «живе» порівняно довго. Так створюється «перенаселеність» збудженого рівня 2 порівняно з незбудженим рівнем 1.

Потрібні енергетичні рівні мають кристали рубіну. Рубін — це яскраво-червоний кристал окису алюмінію Аl₂О₃ з домішкою атомів хрому (близько 0,05 %). Саме рівні іонів хрому в кристалі мають потрібні властивості.

Будова рубінового лазера. З кристала рубіну виготовляють стержень з плоскопаралельними торцями. Газорозрядна лампа, що має форму спіралі (мал. 172), дає синьо-зелене світло.

Рубін - Al₂O₃ + Cr(0,05%)

Короткочасний імпульс струму від батареї конденсаторів ємністю кілька тисяч мікрофарад спричиняє яскравий спалах лампи. Через малий проміжок часу енергетичний рівень 2 стає «перенасе­леним».

Внаслідок самовільних переходів 2 → 1 випромінюються хвилі різних напрямів. Ті з них, які йдуть під кутом до осі кристала, виходять з нього і для наступних процесів не мають ніякого значення. Але хвиля, що йде вздовж осі кристала, багато разів відбивається від його торців. Вона зумовлює випромінювання збуджених іонів хрому і швидко підсилюється.

Один з торців рубінового стержня дзеркальний, другий торець напівпрозорий. Через нього виходить потужний короткочасний (близько сотні мікросекунд) імпульс червоного світла, що має ті феноменальні властивості, про які йшлося на початку пара­графа. Хвиля когерентна, оскільки всі атоми випромінюють узго­джено, і дуже потужна, бо в індукованому випромінюванні весь запас енергії виділяється за дуже короткий час.

Інші типи лазерів. Рубіновий лазер, з яким ми ознайомилися, працює в імпульсному режимі. Але є й лазери неперервної дії.

У газових лазерах цього типу робочою речовиною є газ. Атоми робочої речовини збуджуються електричним розрядом.

Застосовуються й напівпровідникові лазери неперервної дії. Вони створені вперше у нашій країні. Енергія для випромінювання до них подається у вигляді електричного струму.

Створено дуже потужні газодинамічні лазери неперервної дії на сотні кіловатів. У цих лазерах «перенаселеність» верх­ніх енергетичних рівнів створюється під час розширення й адіаба­тичного охолодження надзвукових газових потоків, нагрітих до кількох тисяч кельвінів.

Застосування лазерів. Досить перспективне застосування ла­зерного променя для зв'язку, особливо в космічному просторі, де немає хмар, що поглинають світло.

Величезну потужність лазерного променя використовують для випаровування матеріалів у вакуумі, для зварювання і т. д. За допомогою променя лазера можна робити хірургічні операції, наприклад, «приварювати» сітківку, що відшарувалася від дна ока. За допомогою лазерів дістають об'ємні зображення пред­метів, використовуючи когерентність лазерного променя.

Лазери дають змогу використовувати світлолокатор, за допо­могою якого відстань до рухомих предметів вимірюється з ве­личезною точністю, недоступною для радіолокаторів.

Збуджуючи лазерним промінням атоми або молекули, можна примушувати їх вступати в хімічні реакції, які неможливі за звичайних умов.

Перспективне використання потужних лазерних променів для керування термоядерною реакцією.

Створення лазерів — приклад того, як розвиток фундамен­тальної науки (квантової теорії) сприяє величезному прогресу в найрізноманітніших галузях техніки і технології.

 Повторити матеріал 9-го класу по темі "Ядерна фізика". Підготувати коротеньку доповідь (5-20 строк) про використання лазерів. Попереджаю, що не скачувати готові реферати, не копіювати роботи один у одного і не повторюватись з матеріалом наданим вище. Результат у текстовому файлі на пошту до 24.03