Удивительный источник света

Физика

на тему:

«ЛАЗЕРЫ»

Выполнил:

ученица 11е класса

лицея при СГТУ

Ильина Александра

Саратов 2005

Содержание

Введение. 3

Возникновение лазеров. 4

Закон Больцмана. 4

Удивительный источник света. 5

Первые лазеры и их устройство. 6

Световой телеграф. 12

Заключение. 14

Список использованной литературы.. 15

Введение

На вопрос о том, что такое лазер, академик Н. Г. Басов отвечал так: «Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, индукции магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки».

Возникновение лазеров

В 50-х годах были созданы устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счёт открытого Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 году Басовым[1] и Прохоровым[2] и независимо от них Таунсом[3] были созданы первые молекулярные генера­торы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров. В 1964 г. Басову, Прохорову и Таунсу была за эти работы присуждена Нобелевская премия. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

В 1960 г. Мейманом[4] был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужден­ного излучения). Лазеры называют также оптиче­скими квантовыми генераторами.

Закон Больцмана

Воз­действующий на вещество свет частоты w, совпадаю­щей с одной из частот (Е n — Ет )/h атомов вещества (Еn>Ет), может вызывать два процесса: I) выну­жденный переход т ® n и 2) вынужденный переход n ® т. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличе­нию интенсивности падающего пучка. Результирую­щее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

В случае термодинамического равновесия распре­деление атомов по различным энергетическим состоя­ниям определяется законом Больцмана

         (1.1)

где N — полное число, атомов, N _i — число атомов, на­ходящихся при температуре Т в состоянии с энергией E_i (для простоты предположили, что все энергети­ческие уровни не являются вырожденными). Из этой формулы следует, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в дан­ном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исход­ного уровня. Следовательно, в системе атомов, нахо­дящейся в термодинамическом равновесии, поглоще­ние падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того чтобы получить усиление падающей вол­ны, нужно обратить населенность энергетических уров­ней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в со­стоянии с меньшей энергией. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность.

Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается формулой

                  (1.2)

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить по­глощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. В случае усиления падающего пучка яв­ление протекает так, как если бы коэффициент погло­щения a в формуле (1.2) стал отрицательным. Соот­ветственно совокупность атомов с инверсной населен­ностью можно рассматривать как среду с отрицатель­ным коэффициентом поглощения.

Удивительный источник света

Попробуем понять, как работает этот удивитель­ный источник света. Остановимся вначале на про­цессах излучения и поглощения света атомами ве­щества. Атомы поглощают световую энергию только определенными порциями — квантами. Когда атом поглощает световой квант — фотон, его внутренняя энергия увеличивается. Принято говорить, что при этом атом переходит на более высокий энергети­ческий уровень. Этот новый уровень лежит выше «старого» на величину энергии поглощенного кван­та. Обычно атом стремится перейти в состояние с наименьшей возможной для него энергией. Такое состояние называют основным.

Допустим, что атом получил избыток энергии. Атом, у которого запас энергии больше, чем в ос­новном состоянии, называют возбужденным. Обыч­но он очень быстро — за одну десятимиллионную долю секунды — избавляется от лишней энергии и переходит в основное состояние. При этом атом ис­пускает фотон, энергия которого hv (рис.1). В большинстве случаев излишнюю энергию атом отдает без всякого воздействия. Такое излучение называют самопроизвольным или спонтанным. Од­нако процесс перехода атома с высокого энергети­ческого уровня на более низкий может происходить и под действием другого кванта. Пролетая мимо возбужденного атома, фо­тон может увлечь за собой фотон такой же энергии, как и его собственная, если энергия возбуждения атома равна энергии пролетающего фотона. Замеча­тельно, что электромагнитные колебания похищен­ного фотона будут в той же фазе, что и у фотона-«похитителя». Таким образом, проходящий световой поток стремится перевести атомы на более низкие уровни.

Рис. 1

Еще до изобретения лазера физики наблюдали замечательное явление — так называемое отрица­тельное поглощение света. Пучок света, проходя че­рез любое вещество, ослаблялся: часть фотонов пучка отражается поверхностью, а некоторое коли­чество фотонов поглощается веществом и переходит в тепло. Но вот удалось осуществить, казалось бы, невозможное. Проходя через некоторые кристаллы, световой луч не ослаблялся, а усиливался! Откуда появилась дополнительная энергия? Оказывается, до того момента, когда через кристалл прошел луч, кристалл был подсвечен мощным источником света. Благодаря этому большая часть атомов кристалла перешла в возбужденное состояние. Из возбужден­ного состояния эти атомы могут перейти на более низкий энергетический уровень, испустив при этом фотон с энергией hv . Поглотить же фотон с такой энергией они не могут — они уже насытились энер­гией. Зато фотоны падающего пучка с энергией /iv увлекают за собой новые фотоны той же энер­гии, вынуждая атомы кристалла переходить в низ­шее состояние. В падающем пучке появляется до­полнительная энергия. Такой кристалл с дополни­тельной подсветкой — первый шаг к лазеру.