18. Фізичні принципи роботи лазерів. Характеристики лазерного випромінювання.

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

підсилення світла вимушеним випромінюванням

Лазери:

-генератори(є дзеркала)

-підсилювачи(немає дзеркал)

4. Фізичні принципи лазерів

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела.

Розглянемо в будь-якому середовищі два довільних енергетичних рівня 1(основний рівень) і 2(збуджений рівень) з відповідним населеностями N1 та N2. Нехай у цьому середовищі в напрямку осі z поширюється плоска хвиля з інтенсивністю, що відповідає густині потоку фотонів F. Тоді зміна густини потоку dF, обумовлене як процесами вимушеного випромінювання, так і процесами поглинання, в шарі dz (заштрихована область на рис. 1) визначається рівнянням

- середовище поводить себе як підсилювач

- середовище поводить себе поглинаюче

У випадку термодинамічної рівноваги N2 <N 1. Відповідно середовище поглинає випромінювання на частоті v, що зазвичай і відбувається. Однак, якщо вдасться досягти нерівноважного стану, для якого N2> N 1, то середа діятиме як підсилювач. У цьому випадку будемо говорити, що в середовищі існує інверсія населеностей. Середовище, в якому здійснено інверсію населеності, називатється активним середовищем.

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення «народження» фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якої випромінюванням фотонів викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить із резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як неперервним, так і імпульсним.

Характеристики лазерного випромінювання

1. Монохроматичність

ширина лінії лазерного випромінювання часто буває набагато вужще (приблизно на шість порядків величини!), ніж звичайна ширина лінії переходу 2 - 1, яка спостерігається при спонтанному випромінюванні.

2. Когерентність: просторова та часова

3. Напрямленість

4.Поляризація

промінь лазера має строго певну поляризацію. Для цього в резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку розповсюдження променя лазера .

5.Потужність (є одною з головних ознак яка відрізняє лазери від інших типів випромінювачів)

6.Короткі імпульси

7.Число заповнення порядку , тобто кількість фотонів на 1 моду.

19. Фізична модель Всесвіту. Великий вибух та еволюція Всесвіту. Утворення елементарних частинок та хімічних елементів. Ранній Всесвіт (теорія інфляції)

Сучасні фізичні моделі походження та еволюції спостережуваного Всесвіту та його структури можна укласти в часову шкалу від до

Вічне минуле (, 0) — Те, з чого сформувалось ВСЕ у нашому Всесвіті, перебувало у метастабільному стані скалярного поля (або кількох різних полів) з планківською густиною енергії. Простір і час — квантові. Цю епоху називають просторово-часовою піною. Випадкові квантові флюктуації приводять до неперервної зміни значень фундаментальних сталих фізичних взаємодій, просторово-часових вимірів. Матерії у формі звичних частинок ще не існує.

Великий вибух (0-10−45 c) — В одній квантовій області просторово-часової піни в результаті квантових флуктуацій сформувався 3+1 вимірний простір-час з параметрами фундаментальних взаємодій, які після розпаду первинного стану і ряду фазових переходів привели до 4-х фізичних взаємодій нашого Всесвіту та набору елементарних частинок, які його заповнили. Така локальна область почала спонтанно розширюватись, охолоджуватись, а поле скочуватись у стан з мінімальним значенням енергії (вакуумний стан). Початок інфляції.

Інфляція (10⁻⁴⁵ — 10⁻³⁴ c) — Короткочасна стадія дуже швидкого (експоненціального) збільшення масштабів — (a(t)~ e^Ht). За коротку мить — наприклад, з 10⁻³⁵ c до 10⁻²⁵ с — масштаби зросли в ~ e^10000000000 разів. Це означає, що флюктуації метрики простору-часу квантових масштабів розтягувались до таких, що наступне розширення впродовж кількох мільярдів років збільшило їх до розмірів сучасних галактик, скупчень, надскупчень, порожнин в їх розподілі й так далі. Інфляція закінчується синтезом частинок і квантів полів, які відповідають температурі на момент кінця інфляції (t₂) T  6.4  10¹⁴(10⁻¹⁰ c/t2)^1/2 К. В цю епоху могли згенеруватися реліктові гравітаційні хвилі, які далі вільно поширюються в просторі (перший реліктовий фон, який може бути зареєстрований).

Баріосинтез (~ 10−12−10−8 с) — «Суп» із кварків і глюонів «вистигає», залишивши в осаді важкі частинки — адрони і їхні античастинки.

Адронна ера (~ 10−8−10−6 с) — Короткоживучі адрони розпадаються на легші аж до протонів, нейтронів і їхніх античастинок. Частинки і античастинки перебувають в термодинамічній рівновазі з квантами електромагнітного випромінювання ГеВ-них енергій. Епоха закінчується анігіляцією речовини і антиречовини. Залишився надлишок протонів, нейтронів і електронів над їхніми античастинками (його походження поки що невідоме) і велике число квантів високих енергій, які розпадались на пару віртуальних лептонів.

Лептонна ера (~ 10−6−1 с) — лептони (електрони, мюони, тау-частинки і відповідні їм нейтрино) перебувають у термодинамічній рівновазі з випромінюванням (народження-анігіляція електрон-позитронних пар). Закінчується анігіляцією пар частинка-античастинка, залишається надлишок електронів над позитронами, кванти електромагнітного випромінювання та нейтрино, які через слабку взаємодію з рештою частинок почали вільно поширюватись у просторі (другий реліктовий фон, який може бути зареєстрований).