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 лазерыЛазеры, 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 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 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 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 Но велика не только абсолютная, но и практическая эффективность этой системы, так как электроны газового разряда в основном переводят молекулы на уровни 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 Азот обладает колебательным уровнем при
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 До сих пор мы ничего не говорили о том, как влияет на мощность которого мы переходим, удается заставить лазер работать на переходе между определенными подуровнями. Обычно используется 20-й уровень При комнатной температуре средняя кинетическая энергия молекулы При этих условиях достаточно настроить колонну на определенный переход, чтобы сделать его доминирующим. Действительно, допустим выбран переход Эта особенность
Рис. 236в. Большое время жизни колебательных состояний позволяет перевести Если лазер дает постоянную мощность
Возможности описанного лазера уже граничат с фантастикой. Фокусировка когерентного инфракрасного излучения лазера на площадь 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 Совершенно новые возможности для коммуникации с помощью лазеров составляют предмет специальных дисциплин и выходят за рамки учебника физики.
|
1 |
Оглавление
|