- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
2. 16. Способы создания инверсии населенностей
Процесс возбуждения активной среды с целью получения инверсии населенностей называют накачкой, а источник возбуждения - источником накачки.
Существуют различные способы накачки. Назовем некоторые из них:
оптическая накачка. Происходит за счет поглощения вспомогательного излучения (применяется в рубиновом лазере);
электрическая накачкав высокочастотном газовом разряде (гелий-неоновый лазер);
инжекция носителей заряда в область p–n – перехода(инжекционные полупроводниковые лазеры).
Практически накачка осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной Басовым и Прохоровым (1955г).
Рассмотрим накачку на примере гелий-неонового лазера (рис.2.22). Активной средой в нем является плазма высокочастотного газового разряда в смеси гелия (He) и неона (Ne). Парциальные давления гелия и неона составляют соответственно1мми0,1 ммртутного столба.
Процесс 1. Атомы гелия за счет соударения с электронами переходят из основного энергетического состоянияE1в возбужденное состояниеE3.
Состояние Е3является метастабильным. Это означает, что в данном состоянии атом может находиться достаточно долго: среднее время жизни составляет величинуτ 10-3с. За это время возбужденные атомыHeпри столкновениях с атомамиNeпередают им свою энергию(Процесс 2).В результате создается инверсная населенность энергетического уровняЕ3атомаNe:NE3 >NE2 (2.105)
Переход атомов неона с уровня Е3сопровождается вынужденным излучением(Процесс 3). Лазерное излучение, проходя через активную среду, многократно усиливается.
2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
Чтобы увеличить эффект усиления света и обеспечить режим генерации, активная среда помещается в резонатор. Резонатор представляет собой два зеркала, установленных параллельно друг другу (рис.2.23).
Процесс генерации света заключается в следующем.
Фотон, испущенный при переходеE3 E2 и движущийся параллельно оси резонатора вызывает вынужденные переходы и рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении (рис.2.).
Часть потока фотонов пройдет через полупрозрачное зеркало 2, часть отразится в нём и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться. Затем отразится от первого зеркала и т. д. При каждом проходе интенсивность света увеличивается, пока не будет достигнут установившийся режим. Фотоны, летящие под углом к оси резонатора, выходят из активной среды и в усилении не участвуют.
4
2.18. Принципиальная схема лазера
4
Перечислим условия, необходимые для создания и работы оптических квантовых генераторов.
Необходимо рабочее вещество с инверсией населенностей (активная среда).
Необходима положительная обратная связь (резонатор).
Усиление света при прохождении через активную среду должно компенсировать потери фотонов при отражении в зеркалах.
Необходимо, чтобы фаза волны, возвратившейся в некоторую точку после отражения от зеркал, совпадала бы с фазой первичной волны, т.е. должно выполняться условие: 2L = mλ. (2.106)
Здесь L – расстояние между зеркалами;λ – длина волны излучения;m– целое число.
Таким образом, общая схема любого лазера имеет вид, представленный на рис.2.23.
Лазеры применяются во многих областях науки, техники и даже медицины. Отметим некоторые их применения.
В лазерном пучке может достигаться плотность мощности порядка 1012 ÷1016Вт/cм2. Это свойство используется для прожигания отверстий в различных труднообрабатываемых материалах. В микроэлектронике с помощью лазера производят сварку различных соединений для микросхем, напыляют полупроводниковые слои и т. д.