Презентация на тему "Вынужденное излучение.Принцип действия лазера"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Вынужденное излучение.Принцип действия лазера

• 
  Слайд 2
  

  Вы́нужденноеизлуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома,молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Понятие о вынужденном излучении

• 
  Слайд 3
  

  Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Нильсом Бором в 1913 г. Оно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного излучения и резонансного поглощения света атомами. Квантовые энергетические уровни

• 
  Слайд 4
  

  Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А.Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может: Гипотеза Эйнштейна

• 
  Слайд 5
  

  перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий с поглощением фотона энергией hν=E2-E1

• 
  Слайд 6
  

  перейти с более высокого энергетического уровня на более низкий с испусканием фотона энергиейhν=E2-E1

• 
  Слайд 7
  

  кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на нижний уровень с испусканием фотона энергией hν=E2-E1

• 
  Слайд 8
  

  Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: В12*u и B21*u, где В12, B21 — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, u — спектральная плотность излучения.

• 
  Слайд 9
  

  Свойства вынужденного излучения: Вынужденное излучение распространяется строго в том же направлении, что и излучение, его вызвавшее. 2. Фаза волны вынужденного излучения, испускаемого атомом, точно совпадает с фазой падающей волны. 3. Вынужденное излучение линейно поляризовано с той же плоскостью поляризации, что и падающее излучение.

• 
  Слайд 10
  

  Таким образом, кванты вынужденного излучения неотличимы от первичных стимулирующих квантов. Поэтому вынужденное излучение при распространении в веществе отличается от спонтанного излучения ничтожно малой расходимостью пучка, а также когерентностью и линейной поляризацией волны. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

• 
  Слайд 11
  

  Если Pnm – вероятность вынужденного перехода атома в единицу времени с энергетического уровня Enна уровень Em, а Pmn – вероятность обратного перехода. При одинаковой интенсивности излучения Pnm=Pmn. Вероятность вынужденных переходов пропорциональна плотности энергии uωвынуждающего переход электромагнитного поля, приходящейся на частоту ω, соответствующую данному переходу ω=(En-Em)/ћ, где ћ=h/2π, h- постоянная Планка, h=6.62*10⁻³⁴ Дж*с. Pnm= Bnmuω , Pmn= Bmn uω, где Bnm и Bmn – коэффициенты пропорциональности, называемые коэффициентами Эйнштейна.При условии равновесия Bnm = Bmn

• 
  Слайд 12
  

  Предположим, что En>Em. Тогда переходы m→nсмогут происходить только под воздействием излучения, переходы n→m будут совершаться как вынужденно, так и спонтанно. Nmn=Nmn(вынужд),Nnm=Nnm(вынужд)+Nnm(спонт) Условие равновесия имеет вид:Nmn(вынужд)=Nnm(вынужд)+Nnm(спонт); Nmn(вынужд)=PmnNm=BmnuωNm, Nnm(вынужд)=PnmNn=BnmuωNn , Где Nmи Nn – числа атомов в состояниях m и n.

• 
  Слайд 13
  

  Если Anm – вероятность спонтанного перехода в единицу времени. Nnm(спонт)=AnmNn. BmnuωNm=BnmuωNn+AnmNn. u(ω,T)= = , Равновесное распределение атомов по состояниям с различной энергией определяется законом Больцмана = exp = exp . Следовательно u(ω,T)= AnmNn BmnNm-BnmNn Anm 1 Bnm Nm/Nn - 1 Nm Nn En-Em kT ћω kT Anm Bnm 1 exp(ћω/kT)-1

• 
  Слайд 14
  

  Для малых частот в случае hω

• 
  Слайд 15

  ЛАЗЕР

  laser - аббревиатура выражения lightamplificationbystimulatedemissionofradiation - усиление света вынужденным излучением

• 
  Слайд 16
  

  Вещество в обычных равновесных условиях поглощает излучение, и по мере распространения излучения в веществе его энергия уменьшается. Это уменьшение энергии излучения в пучке, распространяющемся вдоль направления оси , описывается законом Бугера: I(z)=I₀exp(-μz) Где I₀-интенсивность излучения на входе в вещество, I(z)- интенсивность на глубине z, μ – коэффициент поглощения вещества. Для сред, поглощающих излучение, коэффициент μ положителен.

• 
  Слайд 17
  

  Профессор МЭИ В.А.Фабрикант в 1939 г. показал, что среда может усиливать вынужденное излучение, но такая активная среда должна иметь инверсную заселенность энергетических уровней. Инверсия (от латинского - переворачивание, перестановка) заселенностей уровней соответствует нестандартной заселенности, когда в среде число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в основном состоянии. Совокупность атомов с инверсной населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения.

• 
  Слайд 18
  

  В 1960 г. был создан (Г.Мейман, США) оптический квантовый генератор, получивший название лазера . Рабочим веществом лазера служил монокристалл рубина (корунд Al₂O₃ с примесями Cr³⁺) в виде цилиндра длиной около 5 см и диаметра 1 см. 1 - посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 - рубиновый стержень; 3 - охлаждающая жидкость; 4 - газоразрядная лампа накачки; 5 - кожух (трубка) охлаждения; 6 - слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).

• 
  Слайд 19
  

  Для создания инверсии заселенностей уровней в лазерах наиболее часто используется метод трех уровней. Энергетический спектр атомов (ионов) содержит три уровня с энергиями E1, E2и E3(совокупность близко расположенных уровней)

• 
  Слайд 20
  

  Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3, должен быть метастабильным уровнем. Время жизни атома в метастабильном состоянии (~10⁻³с) в сотни раз превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии (~10⁻⁸с). Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией E2. Процесс сообщения рабочему телу лазера для перевода атомов в возбужденное состояние называют накачкой. Существуют различные физические механизмы накачки. В рубиновом лазере используется импульсная оптическая накачка.

• 
  Слайд 21
  

  Для этого кристалл рубина Р освещается ксеноновой лампой Л, работающей в импульсном режиме. Длительность вспышки имеет порядок 10⁻³с, а мощность накачки в одном импульсе составляет десятки миллионов ватт. Поглощая это излучение атомы хрома переходят в возбужденное состояние Е₃. За время меньше 10⁻⁷с атомы переходят на более низкий метастабильный уровень Е₂ без излучения, передавая энергию кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает на некоторое время инверсию заселенностей уровней 1 и 2.

• 
  Слайд 22
  

  На время инверсии рубиновый стержень превращается в активную среду, которая может усиливать вынужденное излучение с длиной волны λ=594,3нм (красный свет), соответствующее переходу 2→1 . Поэтому, если в результате спонтанного перехода рождается фотон с такой длиной волны, то, взаимодействуя с атомами хрома, он индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный. Процесс рождения вынужденных фотонов при распространении в рубине излучения носит лавинообразный характер.       Для того, чтобы такой оптический усилитель превратить в оптический генератор когерентного лазерного излучения, необходимо обеспечить положительную обратную связь при помощи оптического резонатора, состоящего из двух строго параллельных плоских зеркал , расположенных вблизи торцов рубинового стержня.

• 
  Слайд 23
  

  В обычном свободном режиме генерации одно из зеркал, например, З II, делается полупрозрачным. Поэтому после многократного отражения от зеркал и усиления лазерный пучок становится достаточно интенсивным и получает возможность выхода через полупрозрачное зеркало. Затем следует новая вспышка лампы накачки и процесс повторяется. Лазер на рубине работает в импульсном режиме с частотой порядка нескольких импульсов в минуту. К настоящему времени обнаружены сотни кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве активных сред в твердотельных лазерах. Созданы лазеры на итриево-алюминиевом гранате, александрите, стекле с примесью неодима и других материалах.

• 
  Слайд 24
  

  Типы лазеров. Лазерное излучение реализовано во многих активных средах - твердых телах, жидкостях и газах. Твердотельные лазеры с оптической накачкой; Газовые лазеры; Химические лазеры; Полупроводниковые лазеры; Лазеры на красителях. Приборы квантовой электроники - мазеры и лазеры нашли многообразные области применения.

• 
  Слайд 25
  

  Сварка, резка и плавление металлов осуществляется с помощью газовых лазеров. Лазеры применяются в медицине как бескровные скальпели. Когерентное излучение лазеров лечит глазные, кожные и другие болезни.

• 
  Слайд 26
  

  Сверхкороткие лазерные импульсы нашли применение в оптических линиях связи. Сверхстабильные мазеры и лазеры являются основой стандартов частот и времени. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере. Лазерная локация космических объектов способствовала созданию систем космической навигации.Физики обсуждают возможные применения рентгеновских лазеров, схемы которых прорабатываются уже сейчас в физических лабораториях.

• 
  Слайд 27
  

  Литература И.В. Савельев, Курс общей физики, том 2. Электричество, волны, оптика. М. Наука, 1982 г.