4. Лазеры. Радиоспектроскопия.

4.1 Физические основы, устройство и принцип работы оптических квантовых генераторов (лазеров).

При квантовых переходах частиц с верхних энергетических уровней на нижние возникает излучение. Различают следующие виды излучения:

а) Спонтанное – это излучение, обусловленное самопроизвольными квантовыми переходами частиц вещества. Спонтанное излучение неупорядочено во времени и в пространстве, излучаемые фотоны имеют разные направления и случайные фазы. В связи с этим, спонтанное излучение большую мощность иметь не может. Спонтанное излучение лежит в основе большинства источников света, включая Солнце.

б) Индуцированное (вынужденное) – это излучение, образующееся при квантовых переходах частиц, в результате действия некоторого фотона. Индуцированное излучение возможно только в активной среде. Активная среда – это среда, имеющая метастабильные энергетические уровни. На метастабильных уровнях время жизни частиц велико и составляет Т=10^-3с, поэтому атомы и молекулы могут на них накапливаться, образуя так называемую инверсную заселенность. При этом реализуется антибольцмановское распределение частиц (т.е. на верхнем энергетическом уровне частиц больше, чем на нижнем). Воздействуя на частицы метастабильного уровня некоторым фотоном, можно вызвать (индуцировать) одновременный переход этих частиц на основной уровень; в результате образуется одновременно множество фотонов – индуцированное излучение. Индуцированное излучение упорядочено во времени, в пространстве, монохроматично, когерентно, поляризовано и, следовательно, имеет бóльшую мощность, чем спонтанное.

Индуцированное излучение лежит в основе работы лазеров. Лазер – это устройство для генерирования и усиления света. Лазеры были изобретены в 1953 г. независимо Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсоном в США.

Основные блоки лазера:

1. активная среда (рабочее вещество);

2. зеркальный (объемный) резонатор;

3. источник возбуждения;

4. источник питания.

Рассмотрим устройство и принцип работы рубинового лазера. Активной средой здесь является искусственный кристалл рубина с химической формулой Аl₂O₃+Cr₂O₃.Атомы хрома легко возбуждаются и являются активными излучателями. Кристалл рубина имеет удлиненную цилиндрическую форму (рис.4.1).

Рис.4.1 Рис.4.2

Торцы рубина строго параллельны, отшлифованы, посеребрены (отражательная способность 98-99%) и являются зеркальным резонатором. Передний торец полупрозрачен. Источником возбуждения является газоразрядная ксеноновая лампа. При подаче напряжения на газоразрядную лампу, она дает мощную вспышку света, в результате чего атомы хрома возбуждаются, ионизируются и ионы хрома переходят с основного уровня с Е₀ на возбужденный Е (рис.4.2). С этого уровня они безизлучательно переходят на метастабильный уровень R и там накапливаются. Спонтанный переход хотя бы одного из ионов хрома с уровня R на основной уровень Е₀ образует фотон, который вызывает вынужденные переходы других ионов хрома с метастабильного уровня на основной. В результате, образуется множество фотонов – индуцированное излучение. Эти фотоны многократно отражаются от зеркальных торцов кристалла рубина, при этом формируется узкий пучок и лавинообразно увеличивается интенсивность излучения. При достаточном ее значении, через полупрозрачный торец, излучение выходит наружу. Таким образом, с помощью лазера можно получить свет высокой мощности на малом участке вещества.

В медицине лазерный луч успешно используют, например, в офтальмологии - для приваривания отслоившейся сетчатки к тканям глазного дна, лечения глаукомы посредством «прокалывания» лазером отверстий размером 50-100 мкм для оттока внутриглазной жидкости. В хирургии - для разрушения опухолей и хирургических операций на внутренних органах. В биологии – для микроскопических манипуляций на клетке (в частности, луч лазера способен разрушать определенные участки в мембране). В сельском хозяйстве - для стимуляции роста растений и др.