Работа 5 Количественный анализ двухкомпонентных растворов по их электронным спектрам поглощения

Работа 6 Изучение закономерностей в спектрах поглощения и люминесценции растворов сложных молекул

Работа 7 Исследование примесного поглощения рубина

Работа 8 Оптические квантовые генераторы

Цель: ознакомиться с устройством, принципом действия и свойствами лазерного излучения.

Оборудование: гелий-неоновый лазер ЛГН-109, фотоэлемент, поляроид-анализатор, слюдяная пластинка, вольтметр, твердотельный рубиновый лазер, прибор для измерения энергии излучения ИМО-2Н, полупроводниковый лазер, электронно-оптический преобразователь инфракрасного излучения в видимое.

Краткое теоретическое обоснование

Оптический квантовый генератор (лазер) — источник электромагнитного излучения, основанного на вынужденном излучении атомов и молекул. В сравнении с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения.

Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т. Наиболее возможное значение мощности излучения абсолютно черного тела  Вт/см². Например, 1 см² поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность  Вт/см².

Однако излучение теплового источника распространяется от него во всех направлениях. Формирование направленного пучка от такого источника, осуществляющегося с помощью системы диафрагм, линз или зеркал, всегда сопровождается большой потерей энергии. Никакая оптическая система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения больше, чем у самого источника света.

Кроме того, излучение теплового источника немонохроматическое, оно заполняет широкий интервал длин волн. Монохроматизация излучения (например, с помощью монохроматора) также приводит к очень большим потерям энергии. Элементарными излучателями световых волн являются атомы и молекулы. Излучение любого источника света представляет собой суммарный эффект излучения большой совокупности атомов и молекул, излучающих независимо друг от друга, т. е. некогерентно.

Лазер является источником когерентного света. Достигается это использованием принципиально иного метода высвечивания возбужденных атомов, который позволяет несмотря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малым расхождением. Если сравнить интенсивность излучения лазера в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются температуры в миллиарды раз большие, чем температуры, которые реально достигаются в тепловых источниках света. Малое расхождение излучения позволяет с помощью обычных оптических систем сконцентрировать световую энергию в очень больших объемах, а значит создать очень большую плотность энергии.

Физические основы лазера

Рассмотрим два энергетических уровня атома 1 и 2 с энергиями и ( ), между которыми могут осуществляться оптические переходы. Пусть и — число атомов в единице объема на уровнях 1 и 2. Если атом находится на верхнем уровне 2, то он может осуществить спонтанный переход на уровень 1 с излучением кванта света частоты

. (1)

Число таких истинных переходов, которые осуществляются за время dt:

, (2)

где — коэффициент Эйнштейна, который определяет вероятность спонтанного перехода.

Световые волны, излучаемые нагретым телом, формируются именно в результате таких переходов атомов и молекул. При распространении световой волны, частота которой соответствует условию (1), кроме спонтанных переходов, возможны вынужденные переходы атомов с уровня 2 на уровень 1 под действием световой волны. Эти переходы также сопровождаются излучением квантов частоты . Число вынужденных переходов за время dt будет

, (3)

где — спектральная плотность энергии в единице объема на частоте перехода ; — коэффициент Эйнштейна, который определяет вероятность вынужденного перехода.

Кроме того, при распространении световой волны атом, который находится на нижнем уровне 1, может поглотить квант света частоты и перейти на уровень 2. Такие переходы также необходимо считать вынужденными. Их число за время dt будет

, (4)

где — коэффициент Эйнштейна, который определяет вероятность вынужденного перехода с поглощением светового кванта. Между коэффициентами Эйнштейна имеют место следующие соотношения:

, (5)

, (6)

где — скорость света в среде, и — статистические веса уровней 1 и 2.

На рисунке 8.1 показаны квантовые переходы между уровнями 1 и 2.

а б в

Рис. 8.1. Квантовые переходы: а — спонтанные, б — вынужденные с поглощением света, в — вынужденные с излучением света

При вынужденных переходах (рис. 8.1, б) волна теряет энергию, ослабляется. В результате переходов (рис. 8.1, в) световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой волны определяется разностью и . При условии термодинамического равновесия населенность нижнего уровня всегда больше населенности верхнего . Поэтому волна теряет больше энергии, чем получает, значит, имеет место поглощение света. Однако при определенных условиях возможно получить такую ситуацию, когда возникает инверсная населенность уровней и , при которой . При этом вынужденные переходы перевешивают и дают световой волне больше энергии, чем теряется в результате переходов . Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.

Волны, которые излучаются атомами в результате переходов , по частоте , направлению распространения, поляризации и фазе одинаковые с первичной волной и поэтому когерентны с ней и между собой независимо от того, каким образом осуществлялось возбуждение атомов на уровень .

Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны, а не просто к дополнительному излучению новых волн.

Среду с инверсной населенностью какой-нибудь пары уровней и , способную усиливать излучение частоты , называют активной. Спонтанное излучение одного из возбужденных атомов активной среды (т. е. атома, который находится на уровне ) может вызвать вынужденные переходы других возбужденных атомов и усилиться. При термодинамическом равновесии населенность верхнего уровня в соответствии с формулой Больцмана

. (7)

Поэтому поглощение имеет перевес над вынужденным излучением. Для того чтобы излучение частоты усилилось в среде, должно выполняться условие

, (8)

что соответствует инверсной населенности уровней 1 и 2.

Особенностью процесса оптического возбуждения двухуровневой системы является невозможность перевести в возбужденное состояние больше, чем половину частиц, которые находятся на уровне 1, и поэтому нельзя получить инверсную населенность уровней 1 и 2.

Рис. 8.2. Схема трехуровневой системы

Многие свойства взаимодействия излучения с веществом нельзя описать в рамках двухуровневой модели. Часто после акта возбуждения система переходит неоптическим путем в некоторое третье состояние. На рисунке 8.2 показана схема трехуровневой системы. При возбуждении системы интенсивным световым потоком с частотой ( ) влияние теплового излучения можно не учитывать. При этом будем считать, что суммарные вероятности оптических и неоптических переходов удовлетворяют условию и , что означает метастабильность (увеличенное время жизни) уровня 2.

Время жизни в возбужденном состоянии небольшое (~ 10^–8 с). Поэтому определенное количество атомов спонтанно переходит в состояние с излучением квантов , но большая их часть при столкновениях теряет часть энергии и переходит без излучения на метастабильный уровень , где время жизни значительно больше (~ 10^–3 с). Поэтому можно добиться, что населенность уровня будет значительно превышать населенность уровня , это значит возникнет инверсная населенность уровней и и световая волна с частотой будет усиливаться.

Для того чтобы активное вещество преобразовать в генератор световых колебаний, необходимо, чтобы часть излучаемого света все время находилась в зоне активного вещества и вызывала вынужденное излучение все новых и новых частиц, т. е. необходимо осуществить обратную связь. Это выполняется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещалось между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Такая система называется оптическим резонатором, схема которого показана на рисунке 8.3.

Рис. 8.3. Схема оптического резонатора: 1, 2 — зеркала, 3 — рабочее вещество

Для возникновения резонанса необходимо, чтобы на длине резонатора помещалось целое число . Резонатор обеспечивает многоразовое прохождение световой волны, распространяемой вдоль его оси. Волны, направление которых не совпадает с осью резонатора, при последовательном отражении покидают границы активной среды и не усиливаются. Таким образом резонатор дает возможность получить большую мощность и высокую направленность излучения. В резонаторе может усили­ваться только то излучение, частота которого близка к его резонансной частоте. Поэтому лазерное излучение имеет высокую монохроматичность.