63. Оптический квантовый генератор. Принцип работы и применение. Спонтанное и индуцированное излучение.

Оптический квантовый генератор или лазер – прибор для усиления света с помощью индуцированного излучения.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома на одного состояния в другое, называется спонтанным (самопроизвольным) Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других. В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением фотона может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным. Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственно частотой излучения возбужденного атома, возникающего при переходе на более низкий энергетический уровень. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца. Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Именно это свойство индуцированного излучения положено в основу устройства лазеров. Для того чтобы мощность светового излучения увеличилась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбужденном состоянии. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней . В результате, при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней, поток света усиливается, а не ослабляется.

Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не ТОЛЬК() усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение для работы к режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал. В результате одного из спонтанных переходов с метастабильного уровня на основной образуется фотон. При его движении в сторону одного из зеркал он вызывает индуцированное излучение других атомов, и к зеркалу подходит целая лавина фотонов с равной энергией каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться всё новые возбужденные атомы, и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока существует инверсная населенность уровней.

Впервые свойства вещества с инверсной заселённостью энергетических уровней теоретически (1939 г.) и экспериментально (1951 г.) исследовал московский физик В.А. Фабрикант. В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и независимо от них Ч. Таунс (США) создали первый квантовый генератор на молекулярном пучке аммиака, работающий в диапазоне сантиметровых волн. Первый оптический генератор на кристалле рубина создал Т. Мейманг в 1960 г. Он состоит из искусственного рубинового стержня, торцы которого строго параллельны, гладко отполированы и покрыты серебром, причём левый торец делается непрозрачным, а правый (выходной) полупрозрачным. Световое излучение лазера создаётся атомами хрома, для возбуждения которых служит лампа накачки мощная импульсная газоразрядная трубка, спирально закрученная вокруг стержня. Мощная вспышка лампы переводит большинство атомов хрома в возбужденное состояние. За время порядка долей миллисекунды все возбужденные атомы хрома переходят в нормальное состояние, и излучение лазера прекращается. Рубиновый лазер испускает короткие, но очень мощные вспышки красного света. При работе лазера выделяется много тепла и необходимо его охлаждение. В газовых лазерах излучение создаётся разреженным газом, атомы которого возбуждаются высокочастотным электрическим током. Газовые лазеры создают непрерывное излучение. Оно менее мощное, чем излучение лазеров на твёрдом теле, зато ещё более направленное и монохроматическое. Применение • Прокладка туннелей и при укладке трубопроводов. • В военном деле для наведения управляемых снарядов • Мощные лазеры, в частности инфракрасные лазеры на углекислом газе, используются для обработки материалов. • Лазерные пучки нашли широкое применение в офтальмологии. С их помощью производятся операции на хрусталике и сетчатке глаза. Возможность «приваривать» отслоившуюся сетчатку к глазному дну позволяет избавить многих больных от неизбежной слепоты. • С помощью лазеров удалось реализовать новый метод получения изображений - голографию. • На монохроматическом когерентном лазерном пучке с помощью волоконной оптики может быть осуществлена кабельная, телефонная, вещательная и телевизионная связь. • В настоящее время ведутся серьезные исследования возможности осуществления лазерного термоядерного синтеза. 64. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Трековые методы . Заряженная частица, двигаясь в газе, ионизирует его, создавал на своём пути цепочку ионов. Если создать в газе резкий скачок давления, то на этих ионах, как на центрах конденсации, оседает пересыщенный пар, образуя цепочку капелек жидкости - трек. А) Камера Вильсона (англ.) 1912 г. 1) стеклянный цилиндрический сосуд, покрытый сверху стеклом; 2) снизу сосуд покрыт слоем чёрного влажного бархата или сукна; З) сетка, над поверхностью которой образуется насыщенный пар. 4) поршень, при быстром опускании которого происходит адиабатное расширение газа, что сопровождается понижением его температуры, пар становится переохлаждённым (пересыщенным). Заряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, пролетая в газе, создают на своём пути цепочку ионов. При опускании поршня на этих ионах, как на центрах конденсаций, образуются капельки жидкости. Таким образом, при полёте частица оставляет за собой след (трек), который хорошо виден и может быть сфотографирован. По толщине и длине трека судят о массе и энергии частицы. П.Л. Капица и Д.В. Скобельцын предложили поместить камеру в магнитное ноле. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, что приводит к искривлению трека. По форме трека и характеру его искривления можно вычислить импульс частицы и её масс у, а также определить знак заряда частоты.

Б) Пузырьковая камера Глезера (США) 1952 г. Трек возникает в перегретой жидкости. В рабочем состоянии пузырьковая камера, как и камера Вильсона, оказывается в момент резкого скачка давления. Пузырьковые камеры также помещают в сильное магнитное поле, искривляющее траектории частиц. Нейтральные частицы не оставляют треков, но тем не менее их тоже можно обнаружить с ПОМОЩЬЮ камеры Вильсона или пузырьковой камеры по вторичным эффектам. Так, если нейтральная частица распадается на две (или более) заряженные частицы, разлетающиеся в разные направления, то, исследуя треки вторичных частиц и определив их энергии и импульсы, можно по законам сохранения определить свойства первичной нейтральной частицы. В) Метод толстостенных фотоэмульсий (1928 г., Мысовский и Жданов) Он основан на использовании почернения зерен бромистого серебра, входящих в состав фотографичеекого слоя, под действием проходящих вблизи них заряженных частиц. После проявления фотоэмульсии в них можно наблюдать треки таких частим. Ядерные фотоэмульсии применяют в виде слоев толщиной от 0,5 до 1 мм. Это позволяет исследовать траектории частиц высоких энергий. Существенным преимуществом метода фотоэмульсии, по мимо простоты применения, является то, что с его помощью получают неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Метод ядерных фотоэмульсий широко применяют при изучении свойств новых элементарных частиц и исследованиях космического излучения. Метод счёта числа частиц. В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка – сцинтилляция.

А) Спинтарископ. Ещё в 1903 г. У. Крукс (англ.) обнаружил, что при попадании альфа-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки — так называемые сцинтилляции. Каждая вспышка характеризовала действие одной частицы. Устройство простейшего прибора, предназначенного для регистрации отдельных альфа-частиц. Основными деталями спинтарископа являются экран, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристалл сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу. Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. Б) Счётчики Гейгера- Мюллера (нем.) 1928 г. Газоразрядные счётчики работают на принципе регистрации самостоятельного газового разряда, возникающего при полёте заряженной частицы через рабочий объём счётчика. В ОТЛИЧИе от ионизационной камеры, регистрирующей суммарную интенсивность пучка заряженных частиц, счётчик Гейгера Мюллера регистрирует каждую частицу отдельно. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Последние, проходящие ряд каскадов умножителя, образуют на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя и приводит в действие какой-либо счетчик. Интенсивность отдельных импульсов можно наблюдать на осциллографе. Определяют не только число частиц, но и распределение их по энергиям. Ионизационная камера. Для измерения доз ионизирующих излучений применяются ионизационные камеры. Ионизационная камера представляет собой цилиндрический конденсатор, между электродами которого находится воздух или другой газ. С помощью источника постоянного напряжения между электродами камеры создаётся электрическое поле. В обычных условиях в воздухе свободных зарядов очень мало, поэтому измерительный прибор, включенный в цепь камеры, тока не обнаруживает. При облучении рабочего объёма ионизационной камеры ионизирующими излучениями происходит ионизация воздуха. Положительные и отрицательные ионы под действием электрического поля приходят в движение. Сила ионизационного тока в камере обычно составляет доли микроампера. Для измерения таких слабых ТОКОВ применяются специальные усилительные схемы. С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.