Вопросы к работе “Спектр кристалла рубина”

1. На рис.1 (см. методические указания к работе) энергетические уровни ⁴F₂и⁴F₁ионаCr³⁺в кристалле рубина изображены как широкие. Какова природа уширения энергетических уровней иона хрома в кристалле в рубине? Какой эффект здесь проявляется - Зеемана или Штарка?

2. Какова длина волны λ_oлинииR(см. рис.1) в спектре поглощения кристалла рубина (см. далее пункт 13), которая также проявляется в люминесценции и на которой происходит лазерная генерация? Какая из линий поглощения в записанном спектре являетсяRлинией? Какие линии поглощения являютсяUиYлиниями? Какая из линий поглощения являетсяВлинией?

3. На каком переходе в кристалле рубина (см. рис.1) осуществляется лазерная генерация? Как при этом создается инверсия населенностей (см. далее пункт 13 и §121 в [2])? Хорошо это или плохо, что энергетические уровни ⁴F₁и⁴F₂иона хрома в кристалле рубина являются широкими?

4. Как называется люминесценция, используемая в работе (см. работу «Люминесценция»)? Записать закон изменения числа возбужденных ионов хрома в кристалле рубина и интенсивности (мощности) люминесцентного излучения со временем? Что понимается под временем затухания интенсивности τ? Во сколько раз изменится число возбужденных ионов хрома за время t?

5. Как τ связано с константами излучательных и безызлучательных переходов в кристалле рубина? Каков физический смысл и размерность величин АиР?

6. Согласно Эйнштейну (см. работу «Гелий-неоновый лазер»), существуют два механизма излучения возбужденными ионами хрома: спонтанный и вынужденный. Какой механизм излучения используется в данной работе?

7. Нарисуйте принципиальную схему стробоскопической установки для исследования кинетики люминесценции кристалла рубина. Для регистрации спада интенсивности люминесценции в чистом виде необходимо предварительно осветить кристалл рубина и создать в заметном количестве возбужденные ионы хрома, затем быстро прервать внешнее освещение, оставив только люминесцентное излучение. Как это достигается в установке? Для чего здесь необходим стробоскоп – одновременно вращающиеся два диска с прорезями?

8. При переходе из частотной шкалы в шкалу длин волн выполняются ли равенства

k(n)=k(l) (предполагаетсяl=с/n) иòk(n)dn=òk(l)dl?

9. Чему равна скорость света в среде с показателем преломления n?

10. Что такое оптическая плотность D?

11. Концентрация ионов хрома в рубине »10¹⁸см^-3. Много это или мало по сравнению со всеми остальными атомами кристалла рубина?

12. Накачка (создание инверсной населенности) рубинового лазера происходит с помощью мощных импульсных ламп, излучающих белый (сплошной) свет. Можно ли создать инверсию в рубине за счет излучения He-Ne лазера с длиной волны λ_o=632.8 нм? Длина волны излучения рубинового лазераλ_o=694.3 нм.

13. Что называется коэффициентом эффективности люминесценции? В каких пределах он изменяется?

14. Объясните форму наблюдаемой осциллограммы. Какие величины отложены по осям (см. рис.3)? Какой участок осциллограммы используется для определения t? Какой график строят для определенияt?

Рекомендуемая литература

1. Матвеев А.Н. Оптика: Учебное пособие для физ. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1985. – 351 с. §§50, 51, 52, 53 и 54.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие для вузов. В 5 т. Т.IV. Оптика. – 3-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002. – 792 с. §§119, 120, 121.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. 2е изд., испр. - М.: Наука, 1982. – 304 с. §§ 42, 43.

4. Ландсберг Г.С. Оптика. – 5-изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1976. – 926 с. §§211, 213, 225 и 226.

5. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике: Учеб. руководство. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Наука, 1988. – 326 с. Ч.1. Основы физики лазеров. Лекция первая. Коэффициенты Эйнштейна, с.11-19. Ч.2. Лекция двадцатая. Рубиновый и неодимовый лазеры, с.217-226.

6. Звелто О. Принципы лазеров /Пер. с англ. - 3-е изд., доп. – М.: Мир, 1990. – 560 с. 6.2. Твердотельные лазеры. 6.2.1. Рубиновый лазер.