Содержание отчета

1.Таблица экспериментальных данных о зависимости величины фотоЭДС от угла  между направлениями колебаний, «разрешенных» поляризатором и анализатором для трех значений .

=		=		=
				

2.График экспериментальной зависимости _Ф от  для трех значений .

3.График зависимости от и расчет тангенса угла наклона этой зависимости по методу наименьших квадратов.

Вопросы

1. Что такое поляризованный свет?

2. Чем поляризатор отличается от анализатора?

3. Что утверждает закон Малюса?

4. Имеется ли связь между интенсивностью световой волны и напряженностью электрического поля световой волны?

Квантовая оптика Введение по теме 74. Лазеры

Квантовые свойства света проявляются при испускании и поглощении его веществом. Количественными характеристиками этих процессов являются спектры испускания и поглощения. Вид этих спектров зависит от природы вещества, его агрегатного состояния, температуры. Спектры каждого элемента имеют очень много линий, возникающих при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой.

При этих переходах рождаются или исчезают кванты электромагнитного излучения фотоны, у которых нет ни массы, ни электрического заряда. В вакууме фотон распространяется со скоростью света С = 3 10⁸ м/с. Энергия фотона равна разности энергий уровней, между которыми происходит переход:

h= Е_n  Е_m .

Излучая фотон, атом теряет энергию. Видно, что испускается фотон только возбужденными атомами. Процесс испускания может быть как самопроизвольным (спонтанным), так и вынужденным (индуцированным).

Спонтанное излучение происходит без внешнего воздействия на атом и обусловлено только неустойчивостью его возбужденного состояния, из-за которой атом рано или поздно освобождается от энергии возбуждения путем испускания фотона. Различные атомы спонтанно испускают фотоны независимо друг от друга в различных направлениях. Это излучение не когерентно.

Индуцированное излучение вызывается воздействием на атом внешнего фотона с частотой  (рис. 74.1.):

	 =( Еn  Еm)/h Этот индуцирующий, или вынуждающий, фотон идущий от внешнего источника, воздействует на возбужденный атом, не поглощаясь при этом. Другой фотон, индуцированный или вынужденный, испускается атомом в результате этого воздействия.
Рис. 74.1

Характерной чертой индуцированного излучения является идентичность испущенного фотона с индуцирующим, внешним. Они имеют одно и то же направление распространения, поляризацию, частоту и фазу, т.е. строго когерентны.

Атомы не только испускают, но и поглощают фотоны с резонансными частотами. При поглощении атомы возбуждаются, т.е. переходят на более высокий энергетический уровень. В отличие от испускания поглощение фотонов всегда является индуцированным процессом, происходящим только в поле внешнего излучения. В каждом акте поглощения исчезает один фотон, и его энергия передается атому.

Слово ЛАЗЕР составлено из первых букв полного названия явления "усиление света путем испускания вынужденного излучения" (laser  light amplification by stimulated emission of radiation). Русское название лазера  оптический квантовый генератор (ОКГ). Рассмотрим явление когерентного усиления излучения веществом.

Пусть вещество находится в состоянии теплового равновесия. Тогда распределение атомов или молекул по энергиям описывается формулой Больцмана:

, где N_n  число частиц на уровне с энергией Е_n, или населенность n-го уровня. Константа А определяется условием нормировки:

где N  полное число частиц в системе, i  число возможных энергетических уровней одной частицы. Состояние частицы с наименьшим из возможных значением энергии Е₀ называется основным состоянием. Основное состояние является стационарным, так как при отсутствии взаимодействия с другими частицами или с излучением частица находится в этом состоянии неограниченно долгое время. Отношение населенностей возбужденного и основного состояний всегда меньше единицы:

<1

Эйнштейн показал, что вероятности индуцированных переходов сверху вниз (излучение) dW_no и снизу вверх (поглощение) dW_on  одинаковы, тогда в состоянии теплового равновесия число поглощенных квантов dn_погл будет больше числа излученных dn_изл :

, , >1

Это означает, что излучение, проходящее через вещество, будет ослабляться. Чтобы при прохождении через вещество интенсивность излучения возрастала, необходимо, чтобы населенность состояния с большей энергией была бы больше населенности состояния с меньшей энергией. Такое состояние вещества называется состоянием с инверсной населенностью. состояние вещества с инверсной населенностью является неравновесным.

Проходя через вещество с инверсией населенности, например двух энергетических уровней, излучение пополняется фотонами, возникающими в результате переходов между этими уровнями. В результате происходит когерентное усиление излучения на определенной частоте. Вещество с инверсной населенностью называется активной средой. Существует два основных метода получения инверсной заселенности. В одном из них участвуют два уровня - основной и возбужденный. Однако чтобы эта простейшая схема работала, необходимо перевести более 50% атомов из основного состояния Е₀ в возбужденное Е₁. Во втором случае действие лазера осуществляется между двумя возбужденными состояниями. Получить инверсную населенность таким способом гораздо легче, особенно, если возможна быстрая релаксация нижнего возбужденного состояния Е₁ в основное.

Чтобы создать активную среду, необходимо затратить энергию. Этот процесс называется накачкой. Существуют различные способы накачки: оптический, электрический, химический.

Рассмотрим, как пример, работу гелий-неонового лазера, рабочим веществом которого является смесь этих газов в соотношении от 1:5 до 1:15 при общем давлении в несколько мм рт. ст. Накачка производится высоковольтным тлеющим разрядом. При низких давлениях, обычных для газовых лазеров, электроны, возникающие при разряде, приобретают высокую энергию и при столкновении с атомами возбуждают их. Атомы гелия возбуждаются в метастабильное состояние E₂, обладающее большим временем жизни порядка 10^-3 с (рис. 74.2). Поскольку излучательные переходы с этого уровня запрещены, происходит накопление возбужденных атомов гелия. Из-за близости энергий уровня E₂ гелия и E₄ неона происходит резонансная передача энергии при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона. Время жизни E₄ состояния неона равно 10^-6 с, а состояния E₃ -10^-8 с. В итоге это приводит к инверсной заселенности уровня E₄ неона относительно уровня E₃, что обусловливает возникновение индуцированного излучения.

Рис. 74.2

Откуда берется первоначальный фотон, движущийся вдоль оси резонатора и обладающий энергией в точности соответствующей переходу E₄  E₃? Этот фотон возникает в результате спонтанного перехода E₄  E₃ атома неона. Из-за равновероятности направлений спонтанного излучения всегда найдется фотон, движущийся вдоль оси резонатора.

Скорость индуцированного перехода пропорциональна плотности потока падающего излучения. Увеличение плотности усиливаемого излучения обеспечивается помещением активной среды в оптический резонатор. Фотоны, отражаясь от зеркал, многократно проходят через возбужденное рабочее вещество, вызывая индуцированное излучение (рис. 74.3). Газоразрядная трубка (1) замкнута с торцов прозрачными пластинками (окнами), расположенными под углом Брюстера к оси трубки. Такая установка окон обеспечивает линейную поляризацию лазерного излучения. При большом отношении длины резонатора к диаметру трубки с рабочим веществом через активную среду многократно приходят и, следовательно, усиливаются лишь те лучи, которые распространяются под малым углом к оси лазера. Этим обеспечивается очень малая расходимость лазерного луча.

Рис. 74.3 Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое зеркало; 5 – полупрозрачное зеркало

Помимо газовых лазеров существуют твердотельные, например рубиновый лазер. В настоящее время широко распространены полупроводниковые лазеры, где в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов, используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла.