ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
показан на рис. 6.1, а). Процессы возбуждения и его снятия поглощением и выделением фотонов происходят постоянно и
определяют то, что называют
спонтанным излучением.
Рассмотренная структура атома существенно изменяется при объединении группы атомов в коллектив. В этом случае
электроны разных атомов должны занимать положение вблизи устойчивого уровня, поскольку в коллективе не может быть
одинаковых энергий более чем для двух электронов. Как показано на рис. 6.1,
б, каждый уровень несколько расширяется
("размазывается") и уже называется зоной. Энергетическая структура большого коллектива атомов будет представлять чере-
дование разрешённых и запрещённых зон, как показано на рис. 6.1,
б.
В кристаллах излучение света также может быть спонтанным. Так, при нагревании поверхность материала начинает
светиться (обычно при температурах выше 600…700
°С).
Пример. При нагревании электрическим током вольфрамовой спирали в лампе накаливания электроны металла воз-
буждаются, переходя на разные уровни возбуждения. Вскоре они самопроизвольно возвращаются на основной уровень, от-
давая избыточную энергию в виде квантов света с разной энергией. В результате образуется немонохроматический (белый)
свет, часть энергии выделяется в виде тепла. Чем выше температура спирали, тем сильнее спектр лампы накаливания будет
смещаться в сторону коротких (синих) волн.
Лазерное излучение базируется на зонной структуре кристалла. Обычно это диэлектрик, в запрещённой зоне которого
за счёт легирования создают основной энергетический уровень и уровни возбуждения.
Пример. В кристалле рубина, основой которого является окись алюминия, создаются примесные уровни атомов хрома,
придающего кристаллу красный цвет.
Процесс возникновения лазерного излучения можно представить следующим образом.
Если производить быстрый подвод лучевой энергии к выбранному телу (на рис. 6.1,
б показано стрелкой с надписью на-
качка
), то большая доля электронов окажется в верхних разрешённых зонах – энергии F
1
, F
2
, F
3
, что называется инверсией за-
селённости
. Переход из зоны в зону происходит безизлучательный (избыток энергии выделяется в виде тепла). Взаимодейст-
вие электронов в этом случае приводит к накоплению электронов в нижней зоне
F
1
(у неё большое время жизни электронов). К
концу времени жизни практически все возбуждённые электроны окажутся в этой зоне.
Такое положение очень неустойчиво. Если у какого-то из электронов на инверсном уровне
F
1
случайно истекает время
жизни, он самопроизвольно переходит на основной уровень, отдавая лишнюю энергию в виде фотона света
hν = F
1
– E
0
. Об-
разующийся случайный
фотон способен вызвать вынужденный переход остальных электронов с уровня инверсии на ос-
новной уровень. Это сопровождается выделением лавины фотонов в очень короткий промежуток времени таким образом,
что все фотоны будут иметь одинаковую фазу электромагнитных колебаний и фиксированную (одну или несколько) частоту.
Такое излучение называется
вынужденным, а состояние (рис. 6.1, в) электромагнитного потока (луча света) называется ко-
герентным
. Высокая мощность излучения ОКГ объясняется тем, что время излучения составляет микросекунды, за которые
выделяется заметная энергия.
Пример. При накачке энергии
E = 1000 Дж за время τ = 1 с мощность W составляет 1000 Вт (1 кВт). Коэффициент по-
лезного действия лазера примерно равен 10 %. Значит, энергия излучения лазера составит 100 Дж, но время импульса – 10
мкс. Тогда мощность
W = E/ τ = = 100 Дж / 10·10
–6
с = 10·10
–6
Вт (10 000 кВт).
Название "лазер" происходит от первых букв английского выражения LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATING OF
EMISSION RADIATION.
Устройство оптического квантового генератора (ОКГ)
Формирование когерентного светового потока осуществляется в устройстве, которое называется оптический квантовый
генератор. Основные его элементы показаны схематически на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Схема оптического квантового генератора:
1 – рабочее тело (газ, жидкость, твёрдое тело); 2 – отражательное зеркало;
3 – полупрозрачное зеркало; 4 – лампы накачки; 5 – отражатели;
6 – внешняя оптическая система; 7 – мишень
Основной частью конструкции является рабочее место
1. Это может быть газ, жидкость и твёрдое тело. Рабочее тело
должно быть прозрачным для излучения и иметь параллельные поверхности (слева и справа). В торцах этого компонента
установлены зеркало
2 с высокой отражательной способностью и полупрозрачное зеркало 3 с 50 %-ной пропускной способ-
ностью. Вокруг рабочего тела
1 располагаются лампы накачки 4 и отражатели 5 для большей концентрации света на рабочем
теле. Эта конструкция и может быть названа резонатором. За пределами резонатора установлена внешняя оптическая систе-
ма
6 для управления выходящим световым потоком и мишень 7, являющаяся объектом воздействия светом.
Механизм возникновения светового потока можно представить следующим образом.
7
61
