Лекция №1 История создания
В 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант указал на возможность использования вынужденного испускания для усиления э/м изл. при его прохождении через среду и в 1951 г. подал заявку на патентование.
Как вам известно, усилитель света называется лазером (light amplification by stimulated emission of radiation) оптическим квантовым генератором (ОКГ). Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Идею создания таких генераторов когерентного света впервые, независимо друг от друга, выдвинули в 1954 г. Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров (СССР), а также американец Чарлз Хард Таунс Необходимая инверсия населённостей достигалась методом эл.-статич. пространств. разделения молекул NH3 по энергетическим состояниям.
След. шагом стал метод достижения инверсии населённостей при помощи эл.-магн. накачки, предложенный Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955. На этой основе были созданы квантовые парамагнитные усилители [Г. Сковил, США, 1957],
В 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона — лазер. Это был твердотельный лазер на кристалле рубина (АL2О3) с хромом (0,05% Cr). Накачка осуществлялась за счет облучения излучением ксеноновой лампы-вспышки.
В этом же году был создан газовый лазер на смеси He+Ne.
Затем был предложен полупроводниковый лазер на кристаллах арсенида галлия GaAs (Н. Г. Басов и др., 1961). Первый полупроводниковый инжекционный лазер был создан Р. Холлом (США, 1962). В 1964 г. создан газовый CO2 - лазер
В 1964г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсону присуждена Нобелевская премия за исследования в области квантовой электроники.
Квантовые переходы в веществе, процессы испускания и поглощения.
ЛИ
является вынужденным монохроматическим
когерентным излучением Оно находится
в диапазоне от единиц нм до сотен мкм.
Наряду с волновой природой, ЛИ проявляет
корпускулярные свойства, т.е. его можно
представить последовательностью
дискетных порций энергии, называемых
фотонами с энергией
.
На практике обычно используют излучение
в диапазоне 0,3 – 10,6 мкм.
Длины волн основных лазеров.
Твердотельные:
Рубиновый (Al2O3: Cr+) 0,69 мкм
YAlG: Nd 1,06 мкм
He-Ne (на нейтральных атомах) 0,633 мкм
Ar (ионы Ar+) 0,515мк и 0,488 мкм
CO2 10,6 мкм
Азотный 337,1 мкм
Cd (пары Cd+) 0,442 мкм и 0,325 мкм.
Медный (пары Cu) 0,511 мкм
Химические HF—2,7 мкм; HCl—3,7 мкм; НВг—4,2 мкм; DF—4,3 мкм
Фотодиссоциационный лазер – на йоде 1,315 мкм
Инжекционные лазеры на арсениде галия GaAs 0,84 мкм
Полупроводниковые, в зависимости от состава
AlGaAs 0,63—0,90 мкм,
AlGaSb 1,2—1,80 мкм,
GaInAs 0,9—3,4 мкм.
Энергетические уровни атомов и молекул
Как известно, энергия атомов и молекул может принимать лишь определенные уровни энергии, иначе говоря, уровни энергии квантованы. Переход между уровнями осуществляется скачком и называется квантовым. Атомы разных элементов характеризуется своей системой энергетических уровней. Система энергетических уровней атома отражает особенности движения электронов в данном атоме. Расстояния между электронными уровнями 1-5 эВ. Структура энергетических уровней молекулы отражает 3 типа движения: электронное движение в атомах, колебательное и вращательное движения атомов в молекуле. Расстояния между колебательными уровнями порядка 0,1 эВ, вращательными — 0,01 эВ. Энергия квантовых состояний находится из уравнения Шредингера:
,
Е – полная энергия частицы массой m, находящейся в силовом поле с потенциальной энергией U, являющейся функцией координат, h— постоянная Планка, равная 6,625 10 -34 Дж/с; ψ — волновая функция координат и времени, непрерывная, конечная и однозначная во всех точках пространства.
Собственные значения ψ описывают реально наблюдаемые значения физических величин
Поглощение и вынужденное испускание
|
|
поглощение: атом переходит в возбужденное состояние |
испускание: квант света проходит через возбужденную среду и индуцирует испускание других квантов |
рис. 1.1.
Энергетические, волновые характеристики нового кванта света полностью соответствуют начальному кванту света. Данный процесс называется процессом вынужденного испускания света. Если на Е1 находится большое кол-во атомов, то первичный фотон может инициировать рождение не одного, а целой лавины вторичных фотонов. Все эти фотоны имеют те же характеристики, что и первичный фотон. Возбужденный атом может самопроизвольно испустить фотон, но он будет иметь другие квантовые характеристики.