Главная > Введение в физику (А. И. Китайгородский)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

§ 206. Газовые лазеры

Лазеры, или генераторы стимулированного излучения, представляют собой неравновесные системы с инверсной заселенностью уровней энергии, предназначенные для получения мощных световых потоков.

Частицы атомарного или молекулярного газа, находящегося в состоянии теплового равновесия, распределены по энергетическим уровням в соответствии с законом Больцмана, т. е. число частиц, находящихся на более высоком уровне энергии меньше числа более устойчивых частиц с энергией в раз. Нормально уровни энергии заселены таким образом, что чем выше уровень, тем он беднее частицами.

Но это относится к газу, к которому не подводится энергия. Если речь идет о газовом разряде, положение меняется. Распределение частиц по уровням энергии уже может не только не подчиняться закону Больцмана, но возможен и случай инверсии — верхние уровни окажутся более заселенными, чем нижние. Если мы подводом энергии (накачкой, подкачкой) добиваемся такого положения, то становится возможной конструкция лазера.

Понятно, почему инверсная заселенность является необходимым условием создания лазера. Прежде всего нас не интересует спонтанное излучение. Как указывалось выше, спонтанное излучение не направлено и не когерентно. Значит, речь идет о стимулированном излучении. Поскольку вероятности перехода частицы, в которую попадает фотон, вверх и вниз одинаковы, усиление стимулированного излучения возможно лишь в том случае, если верхний уровень будет более заселен, чем нижний.

Ситуация иллюстрируется схемой рис. 236. В невозбужденном состоянии частицы лазерного вещества находятся в основном на нижнем уровне (рис. 236, а). Когда начинается накачка, происходит инверсия заселенности (рис. 236, б). Какая-либо частица излучает спонтанно фотон, который способен стимулировать излучение других частиц. Эта деятельность фотона продолжается до тех пор, пока

фотон не поглотится частицей, находящейся на нижнем уровне (рис. 236, в).

Возможно осуществить лазеры, работающие в импульсном режиме: накачкой частицы подымаются на верхний уровень, а затем в очень короткий промежуток времени весь этот запас энергии отдается в форме стимулированного излучения.

Газовые лазеры работают в непрерывном режиме. Для этого надо располагать системой частиц, обладающих следующими особенностями. Накачка должна переводить частицы из основного состояния на верхний лазерный уровень. Эмиссия лазера состоит в переходе частиц с верхнего лазерного уровня на нижний.

Рис. 236.

С нижнего лазерного уровня спонтанным излучением система переходит в основное состояние.

Из этого описания ясно, что возбуждение не должно переводить частицы на нижний лазерный уровень. Кроме того, нижний уровень должен быстро освобождаться, т. е. время жизни в этом состоянии должно быть существенно меньше времени жизни на верхнем лазерном уровне.

Переход частицы с нижнего лазерного уровня в основное состояние не участвует в лазерном излучении. Это неизбежная потеря, и сделать ее меньше можно лишь одним способом, подбирая системы, у которых разница между энергиями верхнего и нижнего уровней велика по сравнению с разностью энергий нижнего и основного уровней.

Отношение энергии излучаемого фотона к энергии возбуждения является абсолютной максимальной эффективностью лазера. Разумеется, она много меньше практической эффективности, так как энергия накачки неизбежно тратится не только на подъем частицы на нужный верхний лазерный уровень.

В одном и том же газе могут существовать несколько возможных верхних и нижних лазерных уровней. Установление режима,

благоприятного для создания фотонов определенной энергии, т. е. для выделения двух уровней как верхнего и нижнего лазерных уровней, достигается конструированием лазера наподобие резонирующей полости. Если прибор представляет собой газоразрядную трубку с зеркалами у оснований колонны, то при помощи микрометрической подачи нужные фотоны отбираются варьированием длины колонны.

Рис. 236а. (см. скан)

Поскольку волны отражаются по нескольку раз от зеркал, то в благоприятных условиях находится лишь свет, целое число длин волн которого укладывается вдоль длины колонны.

Газовые лазеры, в которых подкачка энергии происходит электрическим разрядом, конструировались чуть ли не для всех

элементов. Было получено лазерное излучение с длиной волны от 0,2 до 133 мкм.

Большое распространение получили лазеры, веществом которых является смесь неона и гелия. Чаще всего создается близкий инфракрасный свет с длиной волны

Смеси газов используются в лазерах по следующей причине. В некоторых случаях газовым разрядом проще возбудить частицу которая соударениями передаст возбуждение частице чем непосредственно возбудить частицу В.

Мы опишем более или менее детально механизм работы наиболее мощного из известных сейчас лазеров, а именно лазера, работающего на углекислом газе.

Основная идея использования молекулярных газов заключается в возможности существенно повысить максимальную эффективность, используя в качестве верхнего и нижнего лазерных уровней колебательные уровни основного электронного состояния. Сравнение в этом отношении атомного и молекулярного лазеров иллюстрирует схема рис. 236а.

Виды колебаний молекулы были рассмотрены нами выше (рис. 231). Любое колебательное состояние характеризуется тремя квантовыми числами относится к симметричному колебанию к колебанию и к линейному асимметричному колебанию

Прежде всего исследователь должен выяснить времена жизни молекулы в разных состояниях. Эти времена могут отличаться на несколько порядков. Далее крайне существенны вероятности перехода на тот или иной уровень под действием ударов электронов.

Оказалось, что со всех точек зрения в качестве верхнего лазерного уровня пригоден уровень 001, а в качестве нижнего — 100 или 020. С этих уровней молекула переходит на уровень а затем уже возвращается в основное состояние. Схема этих переходов показана на рис. 2366, вращательные уровни не показаны, чтобы не загромождать чертеж. Как видно из схемы, лазер обладает высокой максимальной эффективностью 40 и 45% для излучений 10,6 и

Но велика не только абсолютная, но и практическая эффективность этой системы, так как электроны газового разряда в основном переводят молекулы на уровни Замечательно удобным обстоятельством является то, что возбуждения на любой уровень одинаково пригодны. Напомним, что колебательные уровни являются равноотстоящими. Поэтому столкновение молекул в состояниях и 000 дает молекулы в состояниях и 001. То есть в конечном счете возникают нужные молекулы, находящиеся на верхнем лазерном уровне.

Несмотря на то, что возбуждения на любой из уровней дают положительный вклад в действие лазера, все же электроны тратят большую энергию на ионные возбуждения молекул. Возбуждение

становится значительно более селективным при добавлении к молекул азота.

Азот обладает колебательным уровнем при основного электронного состояния при значении энергии, равном энергии 001 молекулы Это возбужденное состояние весьма долговечно, и молекула азота опускается на нулевой уровень в основном лишь одним способом, отдавая свою энергию молекуле в состоянии (см. схему на рис. 2366). Равноотстоящие колебательные уровни азота делают эффективными все его колебательные состояния (основного электронного уровня).

Рис. 2366.

Рассуждения, подобные вышеприведенным, не являются вполне строгими — слишком много факторов определяет практическую эффективность лазера. Однако они демонстрируют методологию поисков лазерных веществ. Все в конечном счете решает опыт. Скажем, если освобождение нижнего лазерного уровня происходит очень медленно, то целесообразно подмешивать другие газы. Поиск этих примесей в основном эмпирический, а результаты могут оказаться очень существенными. Например, при давлении газа молекулы в чистом виде испытывают примерно 100 соударений в секунду, освобождающих уровень. Соответствующие цифры при наличии гелия и воды и 100 000 соответственно.

До сих пор мы ничего не говорили о том, как влияет на мощность -лазера ротационная структура колебательных уровней. Если бы в излучении лазера участвовали переходы между всеми вращательными подуровнями, то излучение не было бы строго монохроматичным. Использованием одного тонкого эффекта, к описанию

которого мы переходим, удается заставить лазер работать на переходе между определенными подуровнями. Обычно используется 20-й уровень -ветви перехода (001) — (100), что дает пучок фотонов с длиной волны

При комнатной температуре средняя кинетическая энергия молекулы равна Расстояние между колебательными уровнями больше этой величины, а расстояние между вращательными уровнями меньше ее. По этой причине переходы молекул а тепловых столкновений с одного вращательного уровня на другой много чаще (10 миллионов в секунду) переходов между колебательными уровнями (1000 в секунду). Соответственно время жизни колебательного состояния а вращательного Таким образом, внутри вращательных этажей каждого колебательного уровня успевает установиться распределение Больцмана, соответствующее тепловому равновесию.

При этих условиях достаточно настроить колонну на определенный переход, чтобы сделать его доминирующим. Действительно, допустим выбран переход (22), т. е. переход с 21-го вращательного подуровня (001) на 22-й подуровень (100). По мере освобождения 21-го подуровня другие молекулы будут переходить с других вращательных подуровней на 21-й, чтобы сохранить распределение Больцмана. Таким образом поставленный в выгодные условия переход выигрывает соревнование с другими возможными переходами.

Эта особенность -лазера определяет его большие достоинства, способствуя высокой монохроматичности и позволяя также, хотя и в небольших пределах варьировать по желанию длину волны стимулируемого излучения.

Рис. 236в.

Большое время жизни колебательных состояний позволяет перевести -лазер в импульсный режим. Для этой цели одно из двух стационарных зеркал заменяется вращающимся зеркалом. Лазер приходит в действие каждый раз, когда вращающееся зеркало становится в нужное положение по отношению к стационарному зеркалу.

Если лазер дает постоянную мощность то в импульсном режиме он способен давать вспышками продолжительностью 150 не при скорости 400 вспышек в секунду.

-лазер изготовляют обычно в виде двухметровых трубок, через которые пропускают ток газа. Схема лазера показана на рис. 236в.

Возможности описанного лазера уже граничат с фантастикой. Фокусировка когерентного инфракрасного излучения лазера на площадь дает интенсивность при постоянном режиме и в импульсном. Тонкий лазерный луч, способный распространяться на большие расстояния, мгновенно прожигает дерево, в течение секунд проходит через сталь.

Лазерный луч может создать поля порядка 106 В/см, коренным образом меняющие свойства вещества. С открытием лазеров возник ряд новых направлений физических и технических исследований. Большой интерес представляет изучение взаимодействия света с длиной волны с полупроводниками, которые прозрачны для этой области спектра. О некоторых применениях лазеров мы говорили на других страницах книги.

Совершенно новые возможности для коммуникации с помощью лазеров составляют предмет специальных дисциплин и выходят за рамки учебника физики.

1
Оглавление
email@scask.ru