13. Явище Бозе-конденсації. Властивості конденсату

Уповільнення атомів з використанням охолоджуючої апаратури дозволяє отримати сингулярний квантовий стан, відоме як конденсат Бозе, або Бозе - Ейнштейна. Це явище було передбачене в 1925 році А. Ейнштейном, як результат узагальнення роботи Ш. Бозе, де будувалася статистична механіка для частинок, починаючи від безмассових фотонів до атомів мають масу . Результатом зусиль Бозе і Ейнштейна стала концепція Бозе газу, що підкоряється статистиці Бозе - Ейнштейна, яка описує статистичний розподіл тотожних часток з цілим спіном- бозонів. Бозони, якими є, наприклад, і окремі елементарні частки - фотони, і цілі атоми, можуть перебувати один з одним в однакових квантових станах. Ейнштейн припустив, що охолодження атомів - бозонів до дуже низьких температур змусить їх перейти (або, по-іншому, сконденсувати) в найнижчі можливі квантові стани. Результатом такої конденсації стане виникнення нової форми речовини.

Перші досліди по лазерному охолодженню були проведені з іонами в іонних пастках, іони утримувалися пастці за допомогою електричного поля та / або магнітного поля. Ці іони висвітлювалися лазерним пучком, і завдяки непружньої взаємодії з фотонами втрачали енергію після кожного зіткнення. Цей ефект використовується для досягнення наднизьких температур. В подальшому, в процесі вдосконалення лазерів, знайшли й інші методи, такі як антистоксове охолодження твердих тіл - найбільш практичний метод лазерного охолодження на сьогодні.

Цей метод заснований на тому, що збуджується атом не з основного електронного стану, а з коливальних рівнів цього стану (з трохи більшою енергією ніж енергія основного стану) на коливальні рівні збудженого стану (з енергією трохи менше ніж енергія цього збудженого стану). Далі атом безвипромінювально переходить на збуджений рівень (поглинаючи фонон) і випускає фотон при переході з збудженого електронного рівня на основний (цей фотон має більшу енергію ніж фотон накачування). Атом поглинає фонон і цикл повторюється. Вже існують системи, здатні охолоджувати кристал від азотних до гелієвих температур

Фізика явища.

Нехай є атом. На нього падає фотон з ћω з частотою резонансу => фотон гине, а атом переходить у збуджений стан => атом рухається так, що mΔv=ћk.

Швидкість атома .

Всього атомів , час життя атома в збудженому стані

Тоді час за який атоми зупиняться ,

Але атоми рухаються хаотично і тоді схема експерименту змінюється, так звана схема шести колімованих лазерних пучків, тобто ніби атоми заганяють у тупий кут!!!

Внаслідок доплерівського уширення

Де -природня ширина лінії; для газу з атомів натрію в якого отримали температури порядка 0.003К!!!Виявляється що можна отрмувати і менші температури:

Розглянемо випадок коли враховується лише енергія віддачі:

Саме такі температури отримують сучасними методами.

14. Фізичний принцип роботи лазерів. Характеристики лазерного випромінювання. Режим роботи лазерів. Спектр випромінювання лазерів різних типів.

Розглянемо два будь-яких енергетичних рівня 1 і 2 з населеностями n_1, n₂. нехай тут поширюється плоска хвиля з густиною потоку фотонів F. На виході із шару dz→ F+ dF. dF=σF(n₁-n₂)dz, де σ–переріз поглинання (з р-ня балансу , ). Звідси слідує: при n₁<n₂→ підсилююче середовище. Тобто в даному середовищі існує інверсія населеності. Таке середовище – активне.

Якщо частота перходу відповідає опт. діапазону.

Для того щоб підсилювач став генератором→ треба ввести додатній зворотній зв’язок. Його отримують поміщуючи активне середовище між двома дзеркалами з високим коефіцієнтом відбивання. Тоді плоска ел-маг хв. буде відбиватися від них, підсилюючись при кожному проходженні через середовище. Якщо одне з дзеркал частково прозоре → на виході пучок випромінювання.

Підсилення за один прохід в активному середовищі , l- довжина активного середовища. Якщо втрати зумовленні лише пропусканням дзеркал, то поріг генерації відбудеться при умові: R₁R₂exp[2σ(n₂-n₁)l]=1.

Тобто коли інверсія населеності ≈ деякого критичного значення (n₂-n₁)_кр=-ln(R₁R₂)/2σl.

Як тільки досягнеться Крит інверсія, генерація виникне із спонтанного випромінювання. Це порогів процес і генерація починається лише тоді, коли підсилення акт середовища компенсує втрати.

Типи лазерів.

1. ТТ-лазери: активним середовищем є або діелектрик, кристал або скло. Тут активними центрами є домішкові іони.

Р убіновий лазер : кристал Al₂O₃, з домішками Cr₂³⁺ . У рубіна є 2 основні полоси поглинання ⁴F₁ і ⁴F₂. з цих рівнів → швидка безвипромінювальна релаксація на рівні 2А і Е. Ці два стани також пов’язані безвипромінювальною релаксацією (з 2А→Е). Час релаксації в основний стан з цих рівнів великий → Е більш населений. (Це і є верхній лазерний рівень) → є перехід Е→⁴А₂ (лінія R₁) λ₁=694,3нм (червона). Але населеність 2А≈Е→ є ще одна лінія2А→⁴А₂ (R₂, λ₂=692,8нм). Трирівнева схема лазера, імпульсний режим.

Неодимовий: активне середовище Y₃Al₅O₁₂ (YAG), де частина Y₃⁺→Nd³⁺. Дві основні полоси накачки – 0,73мкм і 0,8мкм → швидка релаксація на ⁴F_3/2. час релаксації між ⁴F_3/2 та ⁴І_11/2 >>10^-7с→ на цьому рівні накопичується енергія, ⁴F_3/2→⁴І_11/2- перехід λ=1,06мкм (ІЧ). Чотирирівнева схема, неперервний і імпульсний режим.

2. газові лазери: збудження атомів здійснюється за допомогою ел. заряду, тобто накачка досягається досить великим електричним струмом, який тече крізь газ.

Атом зі збудженого стану може перейти на більш ↓ ен. Рівень, в тому числі і на основний завдяки таким процесам:

1. зіткнення збудженого атома з е^- (атом дає свою енергію е^-)

2. зіткнення між атомами (в газовій сумііші)

3. зіткнення атома зі стінками газорозрядної трубки

4. с понтанне випромінення.

В основному лазери створені так:

Газ в трубці певного об’єму (від декількох мм до см) в торцях якої є вікна, що розташовані під кутом Брюстера (щоб при падінні лазерний пучок, поляризований в площині малюнка, не мав втрат на відбивання від поверхні вікна → таким же буде і напрямок поляризації вихідного випромінювання лазера).

В основному в лазерах використовують тліючі і дугові розряди (відрізняються по струму, в дугових >>): j_дуг=10²-10³А/см₂ j_тл ~10^-2А/см₂.

Який розряд використовується в газі залежить від типу газу. Для лазерів на нейтральних іонах (Не-Ne) – тл розряд, для іонних (Аr⁺-лазер) – дуговий.

У мова

LASER-(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)-

підсилення світла вимушеним випромінюванням

Лазери:

-генератори(є дзеркала)

-підсилювачи(немає дзеркал)