2484

Через 10-8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решётке, переходят на метастабильный энергетический уровень E2 E3 , на котором

они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной заселённости. Случайный фотон с энергией h E2 E1 может вызвать лавину инду-

цированных когерентных фотонов (рис. 3.7а). Все они, за исключением направленных вдоль оси рабочего тела, уходят за его пределы, как только достигают его границ. Лавины фотонов, распространяющиеся вдоль оси рабочего тела, наиболее мощные, поскольку они формируются за счёт вынужденного излучения наибольшего числа возбуждённых атомов рабочего тела. Перпендикулярно оси рабочего тела располагают зеркала, которые образуют оптический резонатор. Резонатор выделяет лишь то излучение, которое направлено вдоль оси, и многократно усиливает его за счёт энергии, накопленной в среде с инверсной заселённостью (рис. 3.7б). Одно из зеркал делают полупрозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм (рис. 3.7в).

в

Рис. 3.7. Оптическое усиление:

а – оптическая накачка; б – оптическое усиление; в – генерация лазерного излучения

181

К специфическим свойствам лазерного излучения, резко отличающим его от излучений традиционных источников света, относятся следующие:

1.Лазерный луч обладает исключительной монохроматичностью, коге-

рентностью и высокой направленностью (пучок света лазера имеет очень малый угол расхождения (около 10-5рад)).

2.Лазер – наиболее мощный искусственный источник света. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в

различных отраслях науки и техники, а также в быту.

В промышленности лазеры используют для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура лазерного излучения позволяет сваривать материалы (например, керамику), которые невозможно сварить обычными способами. Лазеры используются также для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Поэтому лазерная обработка характеризуется высокой точностью и производительностью. Лазеры применяются также для быстрого и точного обнаружения дефектов в изделиях.

Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка одного микрона, это позволяет использовать его в микроэлектронике.

Лазеры широко применяются в измерительной технике. Лазерные интерферометры (в них источником света служит лазер) используются для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов.

Лазеры применяются также для топографической съёмки, потому что луч лазера задаёт идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трёхмерные объёмные изображения.

Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, а также в светолокаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров. Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных, способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления об атмосферах и строении поверхности планет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере на различных высотах, определять скорость воздушных течений, температуру и состав атмосферы.

182

Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему.

Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели и используют их при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение они получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Одним из важных применений лазеров является получение и исследование высокотемпературной плазмы. Эта область их применения связана с развитием нового направления – лазерного управляемого термоядерного синтеза.

Создание лазеров – результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно послужило стимулом гигантского прогресса в различных областях техники и технологии.

Контрольные вопросы

1.Назовите основные идеи КПКМ.

2.Какие величины называются квантованными? Приведите примеры квантованных величин.

3.Расскажите об открытии электрона.

4.Опишите опыт Милликена, доказавшего дискретность электрического заряда.

5.Почему изучение теплового излучения явилось первым шагом к открытию квантовой механики?

6.Что такое ультрафиолетовая катастрофа? В чём заключается гипотеза, выдвинутая Планком для вывода закона распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела?

7.Какое физическое явление называется фотоэффектом? Сформулируйте три закона фотоэффекта.

8.Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

9.Чем отличались взгляды Планка и Эйнштейна на проблему квантования?

10.В чём суть эффекта Комптона? В чём заключалось противоречие между результатами опыта Комптона и классической теорией рассеяния волн? Что подтвердил эффект Комптона?

11.Что такое фотон? Чему равны энергия и импульс фотона?

183

12.В чём суть концепции корпускулярно-волнового дуализма света?

13.В чём заключалось противоречие планетарной модели строения атома с законами классической физики?

14.Сформулируйте квантовые постулаты Бора.

15.В чём заключается принципиальная новизна представлений о свойствах атомов в теории Бора?

16.В чём состоит гипотеза де Бройля?

17.Какие экспериментальные факты свидетельствуют о существовании волновых свойств у микрочастиц вещества?

18.Сформулируйте соотношение неопределённостей для координаты и импульса; для времени и энергии.

19.В чём заключается принципиальное отличие квантово-механи- ческого описания состояния системы от классического описания? Какова физическая интерпретация волновой функции?

20.Запишите основное уравнение нерелятивистской квантовой механики. Какие сведения о квантово-механической системе можно получить на основании решения уравнения Шрёдингера?

21.Что такое квантовое поле?

22.Что представляет собой физический вакуум?

23.Сформулируйте основные принципы КПКМ: принцип неопределённости, принцип дополнительности, принцип тождественности, принцип соответствия.

24.Как следует понимать принцип причинности в рамках КПКМ?

25.Сформулируйте основные положения КПКМ.

26.Какие физические характеристики квантово-механической системы (атома) определяются главным квантовым числом, орбитальным квантовым числом и магнитным квантовым числом?

27.Что такое спин микрочастицы?

28.Охарактеризуйте основные группы элементарных частиц.

29.Из каких частиц состоит атомное ядро? Что такое массовое число? Зарядовое число?

30.Чем отличаются ядра атомов разных изотопов данного химического элемента?

31.Что называется естественной радиоактивностью? Каков состав радиоактивного излучения?

32.Запишите и объясните закон радиоактивного распада.

33.Что называется ядерной реакцией? Опишите цепную реакцию деления тяжёлых ядер и реакцию синтеза лёгких ядер.

34.Что такое микроэлектроника? В чём состоит роль микроэлектроники в научно-техническом прогрессе?

35.Что такое наноэлектроника?

36.Что такое лазер? Опишите принцип действия рубинового лазера. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

37.Какова роль КПКМ в развитии современной цивилизации?

184

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа №1 ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОЛИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

С ПОМОЩЬЮ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРА ЛИННИКА

Цель работы – получение практических навыков работы с высокоточным измерительным оптическим прибором и определение качества полированной поверхности исследуемого образца.

Приборы и принадлежности – микроинтерферометр Линника; исследуемый образец.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Интерференция света. Методы получения когерентных пучков

Интерференцией (от лат. inter – взаимно и ferio – ударяю) света

называется явление пространственного перераспределения энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.

Впервые явление интерференции обнаружили в XVII в. независимо друг от друга английские физики Роберт Бойль (1627–1691 гг.) и Роберт Гук (1635–1703 гг.). Они наблюдали разноцветную окраску тонких плёнок (масляных или бензиновых пятен на поверхности воды).

Открытое ими явление исследовал И. Ньютон, однако он не смог его объяснить с точки зрения своей корпускулярной теории света. Правильное объяснение интерференции света как типично волнового явления было дано только в начале XIX века английским учёным Томасом Юнгом (1773– 1829 гг.) и французским физиком Огюстеном Френелем (1788–1826 гг.).

В 1801 году Юнг ввёл принцип суперпозиции и объяснил «цветастость» тонких пленок интерференцией лучей, отражённых от внешней и внутренней поверхности плёнки. Толщина плёнки обычно меняется от места к месту, поэтому она окрашивается во все цвета радуги.

Устойчивая во времени интерференционная картина – ряд чередующихся тёмных и светлых полос – может наблюдаться только при наложении когерентных волн.

Когерентными называются волны с одинаковой частотой, поляризацией и постоянной разностью фаз.

Юнг был первым, кто понял, что волны от двух разделённых в пространстве и не зависящих друг от друга источников света не когерентны. Поэтому он пропустил в тёмную комнату солнечный свет через узкую щель S (шириной около 1 мкм), затем с помощью двух щелей S1 и S2

такой же ширины, находящихся друг от друга на расстоянии d порядка нескольких микрон, разделил этот пучок света на два (рис. 1.1). Проходя через каждую из щелей, световой пучок расширялся вследствие дифрак-

185

ции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и , перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблю-

далась устойчивая интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. В центре экрана видна полоса белого солнечного света. Остальные интерференционные максимумы окрашены.

Рис. 1.1. Опыт Юнга

В своём опыте Юнг достаточно точно определил длину световой волны: для крайней фиолетовой части спектра он получил значение длины волны 0,42 мкм, для красного света – 0,7 мкм.

Таким образом, в классическом опыте Юнга когерентные световые пучки были получены путём разделения и последующего сведения лучей, исходящих от общего источника света.

Разделениесветана когерентныепучки можноосуществитьидругимиметодами: с помощью зеркал и преломляющих поверхностей (метод зеркал Френеля, методзеркалаЛлойда, методбипризмыФренеля, методтонкихпленокидр.).

Рассмотрим некоторые из них.

1) Зеркало Ллойда

В опыте, предложенном ирландским физиком Хэмфри Ллойдом (1800–1881 гг.), источником света S служит узкая щель, параллельная плоскости зеркала (рис. 1.2). Расходящийся световой пучок от источника падает на плоское зеркало MM (зеркало Ллойда), расположенное перпендикулярно к экрану NN . Отразившись от зеркала, он попадает на экран. Этот пучок света можно представить исходящим от мнимого изображения источника света S , образованного зеркалом. Кроме того, на экран попадают лучи, идущие непосредственно от источника света S . В той области экрана, где перекрываются оба пучка света, т.е. накладываются две когерентные волны, наблюдается интерференционная картина.

186

Для построения изображений источника S в обоих зеркалах воспользуемся тем, что мнимое изображение, даваемое плоским зеркалом, лежит за зеркалом на таком же расстоянии, на каком источник расположен перед зеркалом. Проведем из точки O окружность с радиусом r OS и опустим из точки S перпендикуляр на продолжение прямой OA1 . Точка пересече-

ния продолжения этого перпендикуляра с окружностью B1 является мнимым изображением источника S в первом зеркале OA1 . Аналогично строится мнимое изображение B2 источника во втором зеркале OA2 .

На экране, где пучки, отражённые от зеркал, перекрываются, наблюдается интерференционная картина в виде равноотстоящих тёмных и светлых полос.

3) Бипризма Френеля

Бипризма Френеля состоит из двух стеклянных призм, соединенных боковыми сторонами (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Получение когерентных пучков с помощью бипризмы Френеля:– преломляющий угол призмы; n – абсолютный показатель преломления материала призмы

Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за призмой распространяются пучки, как бы исходящие от мнимых источников S1 и S2 , разнесённых на расстояние d a(n 1) и являющихся

когерентными. На экране, расположенном за бипризмой, эти пучки интерферируют.

Интерференционную картину, создаваемую когерентными волнами, можно наблюдать визуально, фотографировать, измерять расстояние между светлыми и темными полосами и т.д. Некогерентные лучи не дают

188

стабильной интерференционной картины. Непрерывное изменение фаз складываемых колебаний в каждой точке пространства создает быстро меняющуюся картину, которую невозможно использовать для измерительных целей.

Закономерности интерференции

Пусть волны от двух точечных источников света S1 и S2 одинаковой

частоты и одинаковой поляризации (в этом случае можно отвлечься от векторного характера электрического поля световой волны) освещают экран Х (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Интерференция света

Определим интенсивность света в точке A экрана. Электрические векторы волн в точке A соответственно равны

189

Амплитуду результирующего колебания E0 легко найти с помощью векторной диаграммы, изображенной на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Векторная диаграмма для определения амплитуды результирующего колебания

По теореме косинусов

Учитывая, что интенсивности волн пропорциональны квадратам их амплитуд, выразим интенсивность результирующего колебания по формуле

Так как в реальных некогерентных источниках излучателями являются отдельные атомы, не связанные друг с другом, то разность фаз 2 1

непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, так что среднее по времени значение cos 2 1 равно нулю. В этом

случае интенсивность волны во всех точках экрана Iср равна сумме интенсивностей складываемых волн:

Интенсивность света во всех точках экрана просто равна сумме интенсивностей, что соответствует закону сохранения энергии. Поэтому при сложении некогерентных волн интерференция не возникает.

Если же разность фаз возбуждаемых волнами колебаний равна нулю или остается постоянной во времени, то волны являются когерентными.

190