Оптичний квантовий генератор

(ЛАЗЕР)

Слово " лазер" складене з початкових букв у англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що українською означає: посилення світла за допомогою змушеного випромінювання.

ІІІ. І. Принцип дії оптичного квантового генератора (лазера)

Існує три фундаментальні процеси взаємодії фотонів електромагнітного випромінювання з речовиною:

а) спонтанне випромінювання;

б) змушене випромінювання;

в) поглинання (рис. 6. 4).

Рис. 6. 4

Як довів Ейнштейн, у стані термодинамічної рівноваги ймовірність поглинання і змушеного випромінювання однакові.

Однак середовище може перебувати в нерівноважному стані, у якому реалізується інверсна заселеність рівнів, тобто кількість електронів на вищих енергетичних рівнях більша ніж на нижчих.

У цьому випадку середовище почне підсилювати випромінювання, тобто буде активним середовищем. Переведення середовища в нерівноважний стан здійснюється зовнішнім джерелом енергії (накачуванням).

Основною умовою реалізації трирівневої схеми лазера (рис. 6. 5) є співвідношення між часами життя збуждeних рівнів:

Рис. 6. 5

Прикладом трирівневої схеми є рубіновий лазер. Рубін - це твердий кристал, основою якого є корунд, тобто кристал окису алюмінію (Al₂O₃), у якому невелика частина атомів алюмінію (близько 0, 05%) заміщена іонами хрому Cr⁺⁺⁺. Для створення інверсної заселеності використо-вується оптичне накачування, тобто освітлення кристала рубіна потужним спалахом світла.

Рубіну надають форму циліндричного стрижня, кінці якого ретельно відполіровані, посріблені і служать дзеркалами для лазера.

Для освітлення рубінового стрижня застосовують імпульсні ксенонові газорозрядні лампи, які мають форму гвинтоподібної трубки, що обвивається навколо рубінового стрижня.

Під дією потужного імпульсу світла в рубіновому стрижні створюється інверсна заселеність енергетичних рівнів і завдяки наявності дзеркал збуджується лазерна генерація.

ІІІ. ІІ. Властивості лазерного випромінювання

1. Висока ступінь монохроматичності випромінювання.

2. Когерентність випромінювання.

3. Вузька направленість лазерного пучка. В лазері вдається одержати розбіжність променя на рівні кутових секунд.

4. Висока густина потужності випромінювання.

§4. Комбінаційне розсіювання (ефект Рамана)

Ефект відкритий у 1927 році. Автори - індійські вчені Раман і Крішнан. При проходженні світла через прозорі речовини в спектрі розсіювання крім основної лінії з частотою спостерігаються лінії (рис. 6. 6).

Рис. 6. 6

Фізична суть ефекту.

Процес розсіювання світла розглядають як процес поглинання фотонів падаючого світла молекулами середовища, з подальшим випромінюванням нових фотонів.

Якщо новий фотон випромінює молекула, яка до взаємодії з падаючим була збуджена, тоді новий фотон має більшу частоту (фіолетовий супутник).

Якщо до взаємодії молекула була незбуджена, новий фотон має меншу частоту (червоний супутник), а молекула залишається збуджена до певного значення:

Необхідно зауважити, що при кімнатній температурі збуджених молекул завжди на кілька порядків менше як незбуджених, тому в таких умовах спектральні лінії з частотами є менш інтенсивні за лінії з частотами

§5. Ефект Зеемана (розщеплення спектральних ліній)

Розщеплення спектральної лінії на кілька компонент, при внесенні джерела світла у постійне магнітне поле носить назву ефекту Зеемана (рис. 6. 7).

Рис. 6. 7