5. Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. В зависимости от вида поглощаемой энергии люминесценция делится на виды:

• фотолюминесценция — свечение вещества под действием света; хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций (окисление фосфора на солнце, гниющее дерево, светлячки и т.п.);

• катодолюминесценция — вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами) твердых тел (свечение экрана электронно-лучевого телевизора);

• электролюминесценция- возникает под действием электрического поля – при прохождении тока, под действием разряда и т. п.

Фотолюминесценция делится на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция – это свечение вещества практически в момент его возбуждения светом, оно прекращается при выключении света. Фосфоресценция - это послесвечение, продолжается после выключения света.

Цвет возникающего свечения является характерным признаком люминесценции, он отличается от цвета возбуждающего света. В 1852 году Стоксом установлено правило: свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем поглощаемый телом свет (рис.14.8). Обычно спектральная полоса поглощения и полоса люминесценции частично перекрываются.

Рис.14.8

Правило Стокса находит объяснение с позиции квантовой теории. Энергия поглощенного фотона большей частью преобразуется в энергию фотона люминесценции, но часть энергии А тратится на внутримолекулярные процессы. По закону сохранения энергии hνлюм = hνпогл – А.

Независимо от способа возбуждения и длины волны возбуждающего света спектр люминесценции остается неизменным при данной температуре. Объясняется это стабильностью разрешенных энергетических уровней в атоме/молекуле и позволяет проводить люминесцентный анализ состава веществ. Люминесцентный метод весьма чувствительный, сего помощью можно обнаружить 10 г вещества.

6. Лазерное излучение – это вынужденное монохроматическое излучение оптических квантовых генераторов (ОКГ). Квантовые генераторы электромагнитного излучения принято называть лазерами (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения). Идея лазера предложена в 1951 году Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, первый твердотельный лазер на рубине создан Мейманом в 1960 году и газовый лазер создан на смеси неона и гелия в 1961 году в США.

Эйнштейн показал, что под действием внешнего электромагнитного поля может происходить переход электрона из возбужденного состояния Евозб в основное Еосн. Происходящее при этом излучение называется вынужденным или индуцированным, причем такое излучение возникает, если частота поля

В квантовых генераторах используется вещество, имеющее, помимо основного уровня энергии и уровня возбуждения, третий уровень – уровень задержки, расположенный между ними. Исторически первым таким веществом стал кристалл рубина (рис.14.9).

Рис.14.9

Схема устройства рубинового лазера приведена на рис. 14.10. Рабочее тело (активную среду) лазера представляет собой рубиновый цилиндр, на торцах которого имеются зеркала, установленные строго параллельно друг другу.

Рис.14.10

Под действием энергии излучения импульсной лампы накачки электроны в рубине переходят с основного уровня Е0 на уровень возбуждения Е2

(рис.14.11 а)

Рис.14.11

В твердом теле отдельные разрешенные уровни атомов объединяются в зону в результате взаимодействия атомов кристаллической решетки.

Через 10 с электроны отдают часть энергии кристаллической решетке и опускаются на уровень с меньшей энергией Е1, задерживаясь на нем на время 3·10 с. Такой метастабильный уровень создается путем введения в кристалл рубина примеси – небольшого количества ионов хрома. В результате происходит насыщение примесного уровня Е1 электронами.

При любом переходе электрона с метастабильного уровня на основной уровень испускается квант света с частотой

;

этот квант вызывает вынужденный переход другого электрона с метастабильного уровня на основной уровень также с излучением кванта света с той же частотой. Процесс формирования лазерного луча условно показан на рис.14.12.

Рис.14.12

Интенсивность лазерного луча постепенно нарастает, отражаясь от зеркал на торцах, луч многократно усиливается и, достигнув определенной мощности, выходит из полупрозрачного зеркала. Кванты света, направленные под углом к оси рабочего тела – резонатора не усиливаются, они поглощаются боковой поверхностью.

Все лучи, выходящие из лазера, практически параллельны, имеют очень малый угол расхождения. Мощность излучения в импульсном режиме может достигать 10 Вт/см².

Теоретически излучение лазера должно быть строго монохроматичным, определенной частоты. Однако, спектр излучения лазера имеет малую, но конечную ширину δν . Небольшой набор частот зависит от длительности импульса, длины резонатора, показателя преломления среды.

В газовых, полупроводниковых, жидкостных лазерах возбуждение излучения осуществляется с помощью электрического разряда.

В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие полупроводниковые лазеры (рис.14.13).

Рис.14.13

Полупроводниковые лазеры могут иметь очень малые размеры (~ 0,1 мм в длину), однако, расхождение луча у них больше. Спектральные характеристики полупроводникового лазера зависят от свойств применяемых материалов.

Свойства лазерного излучения:

- излучение когерентно и практически монохроматично; это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

- малая расходимость луча; из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд, это позволяют фокусировать лазерный луч в пятно очень малого размера, с огромную плотностью энергии.

- в импульсе лазерное излучение может иметь большую мощность и огромную температуру;

например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (10¹⁵ Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.

Применение лазеров.

Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя).

В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.

Лазерная связь. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше информации за единицу времени можно через него передать. Свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.

Лазеры в медицине. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).

Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10^–9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10^–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.

Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.