Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь

Электронный осциллограф 10 страница




Люминесценцией называют избыточное над тепловым из­лучение тела, имеющее длительность, значительно превы­шающую период (-10-15 с) излучаемых световых волн.

Первая часть определения отделяет люминесценцию от равно­весного теплового излучения. Люминесценция обычно наблюда­ется в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Тепло­вое излучение в этой области возникает только при температуре в несколько сотен или тысяч градусов, тогда как люминесценция наблюдается при любых температурах, поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением.

Признак длительности в этом определении был предложен СИ. Вавиловым для того, чтобы отличить люминесценцию от не­которых других явлений вторичного свечения, например отраже­ния и рассеяния света.

Люминесцируют электронно-возбужденные молекулы (ато­мы). В зависимости от способа возбуждения различают несколько типов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами — ионолюминесценция, электронами — катодолюминесценция, ядер­ным излучением — радиолюминесценция. Люминесценцию под воз­действием рентгеновского и у-излучения называют рентгенолюминесценцией, фотонов видимого света — фотолюминесценцией. При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристал­лов возникает триболюминесценция. Электрическим полем возбуж­дается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда. Люминесценцию, сопровождающую экзо­термическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией.

 

§ 24.6. Фотолюминесценция

Фотолюминесценция, называемая иногда просто люминесцен­цией, подразделяется на флуоресценцию (кратковременное после­свечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесве­чение).

Начальным актом любой фотолюминесцен­ции является возбуждение фотоном с энергией hv атома или молекулы. В наиболее простом случае, который обычно реализуется в одно­атомных парах и газах при низком давлении, атом возвращается в основное состояние, излу­чая фотон света той же частоты v (рис. 24.9).



Это явление называют резонансной флуоресценцией. Специаль­ные опыты показали, что такое свечение возникает приблизи­тельно через 10~8 с после освещения вещества и поэтому не явля­ется рассеянием в обычном понимании этого слова.

При повышении давления или добавлении в люминесцирующие пары инородных газов (водород, кислород и др.) резонансная флуоресценция уменьшается, и появляются другие линии флу­оресценции. Это обусловлено тем, что возбужденные атомы ус­певают столкнуться с окружающими атомами или молекулами. В результате возбужденные атомы переходят в основное состоя­ние, а окружающие частицы приобретают дополнительную кине­тическую энергию.

Органические молекулы, имеющие систему сопряженных двой­ных связей, в основном (невозбужденном) состоянии почти все находятся в нижнем колебательном состоянии электронного уровня So (см. рис. 23.16).

Распределение молекул по энергетиче­ским уровням за счет тепловой энергии определяется распределе­нием Больцмана (§ 2.4)

где п0 и ni — число молекул в основном и t-ом возбужденном со­стояниях, DЕi — разность энергий для этих состояний, k — посто­янная Больцмана, Т — абсолютная температура.

Под действием света при выполнении условия (23.31) может произойти возбуждение молекулы с переходом на разные колеба­тельные уровни электронных уровней S1, S2 и т. д. Длина стре­лок, направленных вверх (см. рис. 23.16), равна энергии погло­щаемых квантов. Поглощение кванта происходит примерно за 10-15 с. В течение последующих –10-12 с возбужденная молекула. отдает часть энергии окружающей среде и переходит на нижний колебательный уровень электронного уровня S1 (безызлучательные переходы показаны направленными вниз волнистыми стрел­ками). Таким образом, все молекулы, независимо от энергии по­глощенного кванта, оказываются в одинаковом самом нижнем возбужденном состоянии, в котором молекула может находиться 10-9—10-8 с. Дальнейшие пути расходования энергии возбужде­ния могут быть различными.

Часть молекул отдает энергию окружающим частицам, нагре­вая тело. Это соответствует безызлучательному переходу в основ­ное состояние.

Другая часть излучает кванты флуоресценции, переходя на ка­кой-либо колебательный уровень основного состояния, длина на­правленных вниз стрелок равна энергии излучаемых квантов.

У части возбужденных молекул происходит обращение спина с переходом в триплетное состояние T1 возвращение из которого на основной уровень So запрещено (маловероятно), поскольку, в со­ответствии с принципом Паули, в основном состоянии не может быть двух электронов с одинаковыми спинами. Это приводит к за­держке молекулы в триплетном состоянии на время от 10-6 до 10 с. Триплетные молекулы из-за большого времени жизни успевают многократно столкнуться с окружающими молекулами, поэтому они с большей вероятностью переходят в основное состояние безызлучательно. Небольшая доля триплетных молекул переходит в основное состояние, излучая кванты фосфоресценции. В жид­ких растворах фосфоресценцию обычно наблюдать не удается, т. к. почти все триплетные молекулы переходят в основное состояние безызлучательно. Поэтому для наблюдения фосфоресценции рас­творы замораживают или исследуемое вещество помещают в твер­дый растворитель.

Каждый из описанных процессов происходит с определенной вероятностью, называемой квантовым выходом. Так, кванто­вый выход флуоресценции (jфл) равен отношению числа излу­ченных квантов флуоресценции к числу поглощенных квантов или отношению потока флуоресценции (jфл) к потоку поглощен­ного света I0(1 - T)S, где I0 — интенсивность возбуждающего све­та, S — площадь поглощающей поверхности, а (1 - Т) — коэффи­циент поглощения:

Значения квантового выхода флуоресценции для разных ве­ществ сильно отличаются. Для флуоресцеина (jфл = 0,9, для бел­ков -— варьирует в пределах 0,01—0,03. Флуоресцирующие соеди­нения удается с высокой чувствительностью (до 10-10 г в пробе) об­наруживать в сложных смесях нефлуоресцирующих соединений. По флуоресценции удается обнаруживать грибковые повреждения волос и кожи, следовые количества наркотических веществ, на­чальные стадии порчи некоторых продуктов.

Из (24.25) следует, что поток флуоресценции (jфл) пропорци­онален коэффициенту поглощения (1 - Т), который нелинейно за­висит от концентрации (см. рис. 24.2, а). Поэтому и флуоресцен­ция зависит от концентрации нелинейно. В эксперименте обычно регистрируют интенсивность флуоресценции Iфл:

где к — коэффициент, определяемый чувствительностью прибо­ра, Т = 10-eCl, как следует из (24.9). В разбавленных растворах (при оптической плотности D < 0,1) отклонения от линейности со­ставляют менее 5% и ими можно пренебрегать.

Воспользуемся схемой энергетических уровней молекул и пе­реходов между ними (рис. 23.16) для пояснения законов люми­несценции.

Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинновол­новую область относительно спектра поглощения того же соеди­нения.

На рис. 24.10приведены спектры поглощения и флуоресцен­ции антрацена. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего ко­лебательного уровня основного состояния на любые колебатель­ные уровни возбужденных электронных уровней (рис. 23.16).При этом часть энергии возбуждения молекул переходит в теп­ло (направленные вниз волнистые стрелки), и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного элек­тронного состояния. Излучение происходит только с такого уров­ня на любые колебательные подуровни основного состояния. Дли­на стрелок, изображающих поглощательные и излучательные переходы в молекуле, пропорциональна энергии поглощенных или излученных фотонов. Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул:

Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход люминесценции (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждения люминесценции.Причина этого в том, что излучение люминесценции происходит всегда с нижнего колеба­тельного уровня нижнего возбужденного электронного состояния, независимо от того, на какой уровень молекула была возбуждена после поглощения. Спектр фотолюминесценции по форме совпада­ет со спектрами других типов люминесценции данного вида моле­кул, т. е. форма спектра люминесценции не зависит от способа воз­буждения молекулы.

Спектральное положение полосы флуоресценции (как и длин­новолновой полосы поглощения) зависит от длины системы со­пряженных двойных связей l: чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции lmах. Кроме того, на положение lmах (а также на квантовый выход) флуоресценции некоторых молекул могут сильно влиять свойства окружающей среды. Так, например, для диметиламинохалкона в гептане (ди­электрическая проницаемость гептана e = 1,9) lmах = 436 нм, а в воде (e = 81) lmах = 560 нм. Чувствительность параметров флу­оресценции молекул к особенностям среды (диэлектрической про­ницаемости, вязкости и др.), в которой они оказались, использу­ется в биологии и медицине.

Если флуоресцирующие молекулы вводятся в исследуемую систему как индивидуальные вещества, которые затем сами в со­ответствии со своими свойствами распределяются в ней, то такие молекулы называют флуоресцентными зондами. Примером применения флуоресцентных зондов может служить внутривен­ное введение пациентам флуоресцеина. Этот краситель не токси­чен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции (около 90%). Он с током крови разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждают не­видимым глазом ближним УФ-светом (365 нм) и наблюдают его зеленую флуоресценцию. По скорости появления флуоресценции в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

 

В других случаях флуоресцирующие красители ковалентно связывают с какими-либо молекулами и затем вводят их в иссле­дуемую систему. Такие молекулы называют флуоресцентными метками. Примером может служить использование флуорес­центно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспен­зии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному анти­телу антигены. Возникает яркая флуоресценция определенных клонов клеток, хорошо видная в люминесцентных микроскопах, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используют ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. Подсчет таким образом меченных флуоресцирующих клеток используется в иммунологических исследованиях крови.

На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных це­лей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лам­пах, называемых лампами дневного света, происходит электри­ческий разряд в парах ртути при низком давлении (электролю­минесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной из обычного стекла (рис. 24.11), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

 

Изменяя состав люминофора, мож­но подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. -24.12 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соот­ветствуют спектру паров ртути, излу­чение которых частично проходит че­рез люминофор.

 

 

§ 24.7. Хемилюминесценция

Хемилюминесценцией называют свечение, сопровождаю­щее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса, протекающего в системе, оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбуж­денном состоянии (обозначается звездочкой):

А + В -> Р* + другие продукты

Р* -> Р + hv (хемилюминесценция)

Среди огромного разнообразия химических реакций лишь еди­ничные сопровождаются излучением в видимой или ультрафиоле­товой областях спектра, которое удается измерить. Наиболее изу­чены следующие типы процессов, сопровождающихся свечением.

Биолюминесценция — яркое, видимое простым глазом свече­ние некоторых бактерий, простейших, ракообразных, червей, моллюсков, рыб. Хорошо известна биолюминесценция светляков. Биолюминесценция обусловлена определенными ферментативны­ми реакциями.

Хемилюминесценция в системах, содержащих активные фор­мы кислорода: пероксид водорода, супероксидный и гидроксидный радикалы, синглетный (электронно-возбужденный) кислород.

Хемилюминесценция сопровождает реакции цепного (свободнорадикального, пероксидного) окисления органических соедине­ний. Основной вклад в слабую хемилюминесценцию (раньше ее называли сверхслабым свечением) тканей, гомогенатов, раство­ров и суспензий полиненасыщенных жирных кислот дает свече­ние, сопровождающее пероксидное окисление липидов.

Хемилюминесценция при реакциях свободных радикалов, об­разовавшихся при действии физических факторов подразделя­ется на следующие виды: радиохемилюминесценция (при воздей­ствии ионизирующего излучения); фотохемилюминесценция (после облучения видимым или УФ-светом); электрохемилюми-несценция (при пропускании электрического тока через раство­ры); сонолюминесценция (при воздействии ультразвука); трибо-люминесценция (при перемешивании растворов) и др.

При облучении (или освещении) веществ в твердой фазе (как ча­стный случай — при облучении биологических объектов, суспен­зий или растворов, замороженных жидким азотом) подвижность свободных радикалов резко ограничивается. Их реакции и сопутст­вующая хемилюминесценция активируются при нагревании и раз­мягчении среды. Такое свечение называют термолюминесценцией.

Измерение характеристик хемилю-минесценции — удобный метод конт­роля за течением химических реак­ций, сопровождающихся свечением, и, следовательно, может использо­ваться для изучения кинетики и меха­низма реакций. Регистрация хемилю-минесценции в ряде случаев является наиболее чувствительным методом об­наружения свободных радикалов.

На рис. 24.13 показана хемилюминесценция плазмы крови при выведении в нее ионов двухвалент­ного железа. Железо инициирует пероксидное окисление липидов. Кванты хемилюминесценции излучаются триплетными возбуж­денными кетонами, образующимися при рекомбинации пероксид-ных свободных радикалов (обозначены жирными точками)

Хемилюминесценция фагоцитирующих клеток крови при до­бавлении к ним различных образцов промышленной пыли значи­тельно различается: по характеру кривых свечения клеток можно оценивать токсичность пыли. Токсичная пыль активирует фер­ментативную систему клеток, вырабатывающую супероксидные О*2 и гидроксильные *ОН радикалы и другие активные формы кислорода. Активность фагоцитирующих клеток также резко ме­няется при ишемической болезни сердца, инфаркте и других за­болеваниях, поэтому хемилюминесценция этих клеток использу­ется как диагностический метод.

 

 

§ 24.8. Лазеры и их применение в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независи­мо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с се­редины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генера­ции электромагнитных колебаний с использованием вынужденно­го излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике.



Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализа­ции трех фундаментальных физических идей: вынужденного из­лучения (1), создания термодинамически неравновесной инверс­ной населенности энергетических уровней атомов (2) и использо­вания положительной обратной связи (3).

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции (см. § 24.5—24.6). Такое излучение является спон­танным процессом (рис. 24.14, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излуче­ние — вынужденное, или индуцированное (рис. 24.14, б) — возни­кает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии (23.31). При вынужденном (индуцированном) излучении число пе­реходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попа­дающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех от­ношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерент­ном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

 

В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно. На рис. 24.15 показано «заселение» молекулами энергетических уровней, описываемое распределением Больцмана (24.24). На рисунке «длина» каждого уровня пропорциональна числу частиц, имеющих соответствующую энергию о — основное состояние, Е 1, Е2, ..., — возбужденные состояния, N — общее число частиц, Ni — число частиц на i-ом уровне энергии). Видно, что при «ни­зких» температурах количество возбужденных молекул чрезвы­чайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, когда система нахо­дится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее час­то встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, глав­ным образом, с невозбужденными молекулами и будет происхо­дить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном со­стоянии (рис. 24.14, в), и вынужденное излучение, если частица возбуждена (рис. 24.14, б). Поэтому даже если число возбужден­ных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура на рис. 24.15), усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура на рис. 24.15) условия для усиления вол­ны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглоща­ется.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых, вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вы­нужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < 0 К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное по­глощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера (24.3) kl < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения. Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе со­стояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положи­тельной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируе­мого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми воз­бужденными атомами. Для реализации такого процесса актив­ную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обыч­но из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превра­щая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконст­руирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басо­вым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.1. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном из­лучении молекул аммиака, то генератор был назван молекуляр­ным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер2 с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан га­зовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие создан­ных в настоящее время лазеров можно классифицировать по ви­дам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полу­проводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полу­проводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазе­ра. Рубин — это кристалл окиси алюминия А12О3, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг3+. Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с по­мощью импульсных источников света большой мощности.

 

В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, располо­женные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 24.16). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хоро­шо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптиче­ского отражателя заключается в том, что свет, вышедший из од­ного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, по­падает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 24.17, а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с ос­новного уровня 1в короткоживущее возбужденное состояние З3. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанно­го излучательного перехода относительно мала. Поэтому происхо­дит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных усло­виях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и со­провождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резо­наторе лазера есть два зеркала (см. рис. 24.16), одно из которых имеет коэффициент отражения интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), дру­гое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на не­го излучения (R < 100%).

 

 


Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверх­ности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отра­жаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь на­ибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зер­кало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, са­марий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24.17, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживу-щим уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2'.

Очень распространенным газовым лазером является гелий-не-оновАй, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в со­отношении 10 : 1 и давлении около 150 Па. Излучающими явля­ются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24.17, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населен­ность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. За­селение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При элект­рическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни око­ло 10-3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с не­возбужденным атомом неона происходит передача энергии, в ре­зультате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона вре­мя жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного пере­хода его атомов в основное состояние при соударениях со стенка­ми разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверс­ная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера (рис. 24.18) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера (§ 20.2) расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зер­кала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупроз­рачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пу­чок вынужденного излучения выходит наружу через полупроз­рачное зеркало. Это лазер непрерывного действия. Так как уровни 2 и 3 неона обладают сложной структурой (на рис. 24.17, в не показано), то гелий-неоновый лазер может работать на 30 дли­нах волн в области видимого и инфракрасного диапазонов.

Зерка­ла резонатора делают с многослойными покрытиями, и вслед­ствие интерференции создается необходимый коэффициент отра­жения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной вол­ны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превы­шает 100 мВт.





Читайте также:





Читайте также:
Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе...
Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы...
Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной...
Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней...

©2015 megaobuchalka.ru Все права защищены авторами материалов.

Почему 3458 студентов выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.025 сек.)