методичка.тверде тіло

32

Процес переходу системи із збудженого стану в основний відбувається спонтанно без будь-якого зовнішнього впливу і супроводжується випромінюванням фотона. Акти спонтанного випромінювання відбуваються випадково. Фотони спонтанного випромінювання між собою ніяк не узгоджені, мають різну фазу і напрям випромінювання. Звичайні джерела - нагріті поверхні, а також джерела світла (лампи розжарювання, газорозрядні, світлові діоди і т.д.) випромінюють спонтанно некогерентне (неузгоджене) випромінювання.

В 1916 році А. Ейнштейн теоретично передбачив, що окрім спонтанного випромінювання повинно існувати індуковане (вимушене) випромінювання, яке відбувається під дією зовнішнього по відношенню до системи випромінювання, частота якого задовольняє умову (1). Згідно з теорією А. Ейнштейна процес взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною складається з трьох актів: поглинання фотона, спонтанного та вимушеного (індукованого) випромінювання. Схема цих процесів наведена на рис.1.

Рис 1. Схема процесів поглинання (а), спонтанного (б) та вимушеного (в) випромінювання

Частинка, що знаходиться в основному стані W1, поглинаючи квант енергії, збуджується і переходить у стан W2 (Рис. 1а). Збуджена частинка самочинно (спонтанно) повертається в основний стан W1, при цьому випромінюється фотон світла hν = W2 - - W1 (Рис. 1б). Окрім того, можливий процес взаємодії збудженої частинки із зовнішнім фотоном з енергією hυ = W2 - W1, при цьому збуджена частинка із стану W2 “збивається“ в основний стан з випромінюванням додатково фотона. В такому процесі вимушеного випромінювання між зовнішнім та індукованим фотонами спостерігається повна узгодженість: фотони мають абсолютно однакову енергію, фазу, поляризацію і напрям поширення.

Процеси випромінювання і поглинання рівноймовірні, а тому число переходів в збуджений і основний стан пропорційне кількості частинок на відповідних рівнях. Це означає, що за умови термодинамічної рівноваги, коли кількість частинок в основному стані значно більша їх кількості у збудженому стані, процеси поглинання зовнішнього випромінювання перебільшують процеси вимушеного випромінювання. Таким чином пояснюється поглинання падаючого випромінювання речовиною.

33

Для підсилення зовнішнього випромінювання потрібно в речовині штучно порушити термодинамічну рівновагу, тобто створити умови, коли кількість збуджених атомів була б більшою, ніж не збуджених. В цьому випадку говорять, що сукупність атомів має інверсну заселеність енергетичних рівнів, а середовище активне. Процес створення інверсної заселеності називають накачкою. Для цього системі потрібна додаткова енергія. Існують різні методи накачки:

1). Оптична накачка здійснюється за рахунок енергії світла спеціальних газорозрядних ламп, що працюють в імпульсному або неперервному режимі.

2). Електророзрядна накачка здійснюється за рахунок непружних ударів вільних електронів плазмового розряду з атомами в активному газоподібному середовищі.

3). Хімічна накачка здійснюється за рахунок енергії хімічних реакцій.

За фундаментальні дослідження в області квантової електроніки, які привели до створення генераторів і підсилювачів нового типу – мазерів і лазерів російські фізики О.Прохоров, М.Басов, та американський фізик Ч.Таунс одержали Нобелівську премію у 1964 році.

Лазери залежно від типу та режимів роботи генерують світлові промені у інфрачервоній, видимій та ближній ультрафіолетовій ділянках спектру.

Існують різноманітні типи лазерів, які класифікуються:

за видом активного середовища – на твердотільні, газові, рідинні, напівпровідникові;

за типом накачки – на оптичні, теплові, хімічні, електроіонізаційні,

тощо;

за режимом роботи – неперервної та імпульсної дії.

Будова лазера

Незалежно від типу лазер має три основних складових:

активне середовище – речовину, в якій створюється стан з інверсійною заселеністю рівнів;

система накачки – пристрій для створення інверсної заселеності в активному середовищі;

оптичний резонатор – пристрій, який виділяє у просторі напрям пучка фотонів і формує вихідний світловий промінь.

Розглянемо один з лазерів – рубіновий. Це твердотільний лазер з оптичною накачкою, в якому у якості активного середовища використовується кристал рубіна. Рубін - кристалічний оксид алюмінію Al2O3 , в кристалічній гратці якого частина (0,05%) атомів алюмінію заміщено трьохвалентними іонами хрому Cr3+. Накачка здійснюється імпульсною ксеноновою газорозрядною лампою. На рис.2 наведена схема енергетичних рівнів іона хрому Cr3+ . У нього над нормальним (незбудженим) рівнем ε1 розміщені дві смуги ε3 і ε4, та метастабільний рівень ε2, який складається з двох близьких енергетичних підрівнів.

34

Рис. 2. Схема енергетичних рівнів іона хрому

Підкачування в лазері здійснюється потужним спалахом ксенонової лампи. Атоми хрому, які до спалаху знаходилися на основному рівні ε1, поглинаючи енергію фотонів зеленого і синього світла ксенонової лампи, переходять у збуджені стани ε3 і ε4 . Час перебування іонів хрому у збуджених станах складає 10-8 с, на протязі якого іони хрому релаксаційно переходять на збуджений рівень ε2. Рівень ε2 метастабільний, час існування на ньому складає порядка 10-3 с, що в 100 тисяч раз більше, ніж час перебування іона хрому на звичайних збуджених рівнях ε3 і ε4. Завдяки довгому часу існування іонів на рівні ε2, виникає інверсна заселеність цього енергетичного рівня. При переході іонів хрому з метастабільного стану в основний рубіновий лазер випромінює світло двох довжин хвиль: λ1 = 0,6929 мкм і λ2 = 0,6943 мкм , що лежать у червоній області спектру.

Для виділення напряму лазерної генерації використовується оптичний резонатор, це пара паралельно розташованих дзеркал назустріч одне одному на одній оптичній осі. Одне з цих дзеркал напівпрозоре. Дзеркалами у рубіновому лазері є відшліфовані та покриті сріблом паралельні торці активної речовини, які перпендикулярні його осі. Фотони, що рухаються паралельно осі циліндра, відбиваючись від дзеркальних торців, починають рухатись багатократно між резонаторами. Їх кількість лавиноподібно зростає за рахунок процесів індукованого випромінювання. Фотони, які рухаються під кутом до осі, розсіюються і виходять з активної зони. Така будова резонатора створює практично ідеально паралельний пучок фотонів, що є однією з основних переваг лазерного випромінювання. Розходження лазерного променя пояснюється їх дифракцією, а тому кут розходження не може бути меншим ніж

де λ - довжина хвилі, D - ширина пучка.

Багаторазово посилений потік фотонів виходить через напівпрозоре дзеркало, створюючи строго направлений світловий пучок великої яскравості, який і називається лазерним випромінюванням.

35

Основні властивості лазерного випромінювання:

1). Часова та просторова когерентність (узгодженість). Час когерентності складає 10 -3 с, що обумовлює довжину когерентності порядку 10 5 м.

2). Строга монохроматичність випромінювання ( ∆λ < 10 -11 м). 3). Велика густина потужності випромінювання ( до 2 1010 Вт/м2 ).

4). Мале кутове розходження пучка ( Лазерний промінь направлений з Землі створює на Місяці світлову пляму діаметром 3 км, звичайний промінь найкращого прожектора – 40000 км.).

Означені властивості лазерного випромінювання зумовили надзвичайно широке і швидке впровадження лазерів в усі галузі науки, промисловості, побуту. Це привело до створення революційно нових технологій, виробів, процесів.

Експериментальна установка

Лабораторна установка складається із напівпровідникового лазера малої потужності, блоку електричного живлення, які вмонтовані в металевому кожусі, закріпленому на підставці, на ній нанесена сантиметрова лінійка. На кінці підставки розташовують переносний екран з сантиметровою лінійкою. Дифракційна гратка закріплена в оправі, її можна переміщувати вздовж сантиметрової лінійки.

Виконання роботи

Завдання 1. Визначити довжину хвилі лазера.

1.Ввімкнути блок живлення лазера. На екрані з’явиться пляма лазерного променя.

2.Розташувати на підставці дифракційну гратку на відстані 8-10 см від

лазера і виміряти на екрані відстань xi між першими (m =1) та другими (m=2) дифракційними максимумами. Результати вимірювань занести у таблицю 1.

3. Пункт 2 повторити 3 – 4 рази, змінюючи відстань дифракційної гратки до лазера.

4.За формулою 1.1 розрахувати довжину хвилі. (Теорію дивись в лабораторній роботі № 305.)

де d – стала дифракційної гратки ( 10-5 м ); L– відстань екрана до дифракційної гратки; m – порядок максимуму.

*Враховуючи, що кути дифракції малі, розрахунки довжини хвилі можна спростити, використавши формулу наближеного розрахунку:

36

5.Знайти середнє арифметичне значення довжини хвилі випромінювання лазера та відносну похибку вимірювань:

ε = ср.

ср

Таблиця 1. Визначення довжини хвилі випромінювання лазера

d =..................................

Завдання 2. Визначити кут розходження лазерного променя

1.Зняти з підставки дифракційну гратку.

2.Розташувати екран на відстані 2 м від лазера і, утримуючи його поверхню перпендикулярно до лазерного променя, виміряти ширину плями ai на екрані.

3.Пункт 2 повторити 3 – 5 разів, збільшуючи відстань екрана до лазера. Результати занести у таблицю 2.

Таблиця 2. Виміряні величини для обчислення кута розходження лазерного променя

4. Згрупувавши результати вимірювань у довільні пари (наприклад 1-ший і 4-тий, 2-ий і 4-тий, 1-ший і 3-тій, і т.д. досліди), за формулою 2.1 розрахувати кут розходження лазерного променя αij. Зробити не менше 5 розрахунків. Дані для розрахунків кута розходження лазерного променя та його величину записати у таблицю 3.

де: ai і aj – ширина лазерного променя в i-тому та j –тому дослідах. Li – Lj – відстань до лазера в i- тому та j – тому дослідах.

5.Розрахувати середнє значення кута розходження в радіанах та перевести у кутові одиниці (градуси, хвилини, секунди).

37

Контрольні питання

1.Які хвилі називають когерентними, монохроматичними?

2.Які квантові числа характеризують стан електрона в атомі? Що вони кантують?

3.Сформулюйте постулати Бора.

4.Поясніть, які квантові переходи обумовлюють поглинання і випромінювання світла.

5.Назвіть основні складові квантового генератора та їх призначення.

6.Що таке інверсна заселеність рівнів?

7.Назвіть основні властивості лазерного випромінювання та приведіть конкретні приклади його використання.

8.Поясніть механізм і умови виникнення індукованого випромінювання.

9.Який стан системи називають інверсним? Назвати способи створення інверсної заселеності рівнів.

39

Навчальний посібник

Шматкова Раїса Іванівна

Бут Євген Федорович

Навчальний посібник для самостійної роботи по підготовці до виконання лабораторних робіт з циклу «Фізика твердого тіла»

Авторська редакція

Підписано до друку 10.03.2013. Формат 60 х 84 1/16. Папір офс. Спосіб друку офс. Обл. – вид. арк.9,05. Зам. №301. Наклад 100 прим.

ТОВ «Копі Центр» Свідоцтво про реєстрацію ДК №1210 від 05.02.2001

м.Полтава, вул.Кагамлика, 64