§ 34. Лазеры
Site: | Профильное обучение |
Course: | Физика. 11 класс |
Book: | § 34. Лазеры |
Printed by: | Guest user |
Date: | Sunday, 8 December 2024, 5:58 PM |
Обычные источники света (свеча, лампа накаливания), окружающие человека в быту, испускают некогерентное излучение. А что произойдет, если согласовать (синхронизировать) излучения возбужденных атомов между собой? Какие новые свойства излучения при этом появятся? |
При взаимодействии с активным веществом (средой) внешнее излучение усилится, поскольку к исходным фотонам добавятся индуцированные фотоны с тождественными характеристиками. Тождественность фотонов приводит к тому, что при их взаимодействии с новым возбужденным атомом получается вместо 2 уже 4 фотона, затем 8, 16 и т. д. Это позволяет использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн и создания генераторов монохроматического когерентного излучения — лазеров.
Слово лазер является сокращенной записью английской фразы — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (laser), которая переводится так: усиление света путем вынужденного испускания излучения.
Рассмотрим принципиальную схему работы лазера (рис. 206). Для реализации обратной связи в лазере активное вещество 1 размещается в оптическом резонаторе (рис. 206, а). Резонатор состоит из двух параллельных плоских зеркал, одно из которых — полностью отражающее («глухое») 2, другое — полупрозрачное 3, предназначенное для выхода излучения 5 (см. рис. 206, в) из резонатора.
Накачка 4 создает инверсию населенностей уровней в активной среде. На начальной стадии генерации фотоны, спонтанно испущенные атомами активной среды, распространяются в различных направлениях (см. рис. 206 а, б). Но только фотоны, которые распространяются перпендикулярно зеркалам, многократно проходят через активную среду в результате отражений от зеркал резонатора (см. рис. 206, в).
Излученная атомами энергия накапливается в резонаторе и, воздействуя на активную среду, вызывает новые индуцированные переходы. Происходит лавинообразное «размножение» фотонов в веществе. Далее пучок монохроматического лазерного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало.
Мощность индуцированного излучения должна превысить мощность неизбежных потерь на поглощение, рассеяние излучения, нагревание зеркал резонатора и т. д. Поэтому для эффективной генерации интенсивность падающего на вещество излучения накачки должна превысить некоторое пороговое значение.
Таким образом, для работы лазера необходимо наличие активной среды, резонатора и превышения порога генерации в системе.
Днем рождения лазера следует считать 16 мая
Основными характеристиками лазерного излучения являются когерентность, малая расходимость (узкая направленность), монохроматичность, возможность получать сверхкороткие импульсы, большая мощность.
В рубиновом лазере используется оптическая накачка светом мощной импульсной лампы-вспышки (лампой накачки), в полупроводниковых лазерах неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через p - n - переход, а в газовых лазерах атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.
Ширина спектра газовых лазеров составляет , твердотельных — .
Расходимость луча газового лазера составляет единицы угловых минут, твердотельных — до нескольких десятков минут.
По типу активной среды лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные, химические, газодинамические. А по способу накачки — на оптические, электрические, химические, ядерные, газодинамические.
Лазеры находят широкое применение в голографии, передаче оптической информации, обработке материалов (сварка, резка, сверление и т. п.), медицине, локации, рекламе.
При работе с лазерами необходимо быть внимательными и осторожными. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для глаз и кожи. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение лазеров большой мощности способно вызывать ожоги кожи. Оно представляет также пожарную опасность.
Знак опасности, предупреждающий о лазерном излучении, приведен на рисунке 207.
Белорусский физик, академик Николай Александрович Борисевич в 1978 г. открыл явление «стабилизации» электронно-возбужденных многоатомных молекул. Он впервые получил генерацию излучения многоатомных молекул в газовой фазе. Разработал газовые и одночастотные гелий-неоновые лазеры со значительной выходной мощностью. В В |
Вопросы к параграфу
1. Объясните принцип действия лазера.
2. В чем заключается роль метастабильных состояний в генерации лазерного излучения?
3. Для чего в лазере необходим оптический резонатор?
4. Чем отличается лазерное излучение от излучений, создаваемых другими источниками света
5. Где применяются лазеры?