Принцип действия лазеров - Лекция, раздел Электроника, Тепловое излучение Рассмотрим Ансамбль, Состоящий Из N Атомов В Единице Объема, На Которы...
Рассмотрим ансамбль, состоящий из N атомов в единице объема, на который действует электромагнитное излучение с частотой и спектральной плотностью потока rw. Число поглощенных ансамблем фотонов за время ∆t равно числу переходов атомов с уровня n на уровень m rwBnmNndt.При этом поглощенная ансамблем энергия
.
Общее число переходов атомов с уровня m на уровень n, как спонтанных, так и вынужденных, за то же время равно rwBmnNmdt + AmnNmdt. Так как Amn << Bmn, то излученная энергия
.
Если dЕизл. > dЕпогл., то произойдет усиление интенсивности падающей на систему электромагнитной волны, т.е. условием усиления является:
> ,
подставив Bmn, имеем: Nm > Nn(gm/gn) . При невырожденных энергетических уровнях gm = gm =1, и
Nm > Nn(11.4)
- число атомов на верхних уровнях m (в возбужденном состоянии) должно быть больше чем на нижнем (в основном состоянии). Это основное условие, которое лежит в основе работы всех лазеров.
В случае, когда Nm < Nn,в ансамбле молекул в большей мере будут осуществляться переходы с нижнего уровня на верхний при поглощении фотонов, чем с верхнего на нижний. При этом ансамбль молекул окажется поглощающей средой, ослабляющей проходящую через него электрическую волну.
Мгновенная мощность излучения ансамблем атомов при наличии поглощения будет равна
Таким образом, для создания квантового генератора необходимо выполнения условия (11.4), при котором населенность верхнего уровня выше, чем нижнего (инверсная заселенность). Для этого ансамбль необходимо подвергнуть соответствующему воздействию, которое приведет к должному перераспределению частиц по энергиям. Такое воздействие называется накачкой и сводится к возбуждению частиц ансамбля.
Если после накачки и осуществления инверсии ансамбль подвергнуть в каком-либо направлении облучению потоком фотонов слабой интенсивности, но имеющим частоту, равную частоте рабочего перехода с уровня m на уровень n, то в результате взаимодействия с частицами ансамбля произойдет их размножение. Действительно, взаимодействие какого-либо фотона частоты с возбужденной частицей приведет к вынужденному излучению фотона такой же частоты распространяющегося в том же направлении. В результате акта взаимодействия окажется уже два фотона, которые, распространяясь дальше и встретив соответственно два возбужденных атома, порождают еще два фотона, и т.д. В таком размножении будут участвовать все взаимодействующие с частицами фотоны потока электромагнитной энергии, которым был освещен ансамбль. В результате на выходе из области, где был расположен ансамбль рабочих молекул, интенсивность пучка света будет значительно превосходить интенсивность на входе, т.е. происходит усиление электромагнитной волны при индуцированном излучении.
Среда, в которой происходит усиление излучения, называется оптически активной.
Если излучение пройдет слой dx активной среды, то приращение интенсивности на пути dx равно:
(здесь rw = I/c). Интегрируя, находим изменения интенсивности на пути L:
.
Обозначим и – поперечные сечения взаимодействия фотона с атомом на переходах mn и nm соответственно, тогда с учетом выражения (11.2), имеем
, (11.5)
где
Формула (11.5) представляет собой закон Бугера, где a (коэффициент поглощения) имеет положительное значение и определяет коэффициент усиления. Степень усиления излучения определяется произведением aL. Чем выше инверсия, тем больше a. Это позволяет получить большую степень усиления на малой длине.
Если ансамбль поместить в резонатор, самым простым вариантом которого является система, состоящая из двух параллельно расположенных зеркал, то излучение, прежде чем покинуть резонатор, претерпевает большое число отражений от зеркал и, таким образом, проходит многократно через среду, заполняющую пространство между зеркалами.
В резонаторе, настроенном на частоту атомов или молекул, находящихся в нем, будет происходить интенсивное индуцированное излучение. Если испускаемая энергия будет больше потерь в резонаторе, то становится возможным усиление поступающего в резонатор излучения. Если индуцированное излучение окажется достаточным не только для преодоления потерь в резонаторе, но и в различных его нагрузках, оказывается возможным также и генерирование электромагнитных волн.
Таким образом, необходимыми элементами любого лазера являются:
1) ансамбль молекул, представляющих собою рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия, т.е. распределение по энергиям, несвойственное термодинамическому равновесию, удовлетворяющее условию:
Nm > (gm/gn) Nn;
2) устройство, в котором используется какое-либо физическое воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию, т.е. накачку;
3) элемент, при помощи которого или в котором осуществляется достаточно интенсивное взаимодействие излучения с веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля молекул. Это резонатор.
На рис.11.2 показана схема оптического квантового генератора, 1 - рабочее тело; 2 - элемент накачки; З1- глухое зеркало; З2- зеркало, частично пропускающее излучение.
Лекция... Двойственная корпускулярно волновая природа... Частиц вещества Гипотеза де Бройля...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Принцип действия лазеров
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Тепловое излучение
1.1.Закон Кирхгофа
Тепловое излучение – это испускание электромагнитных волн за счёт внутренней энергии тел. Тепловое излучение имеет место при любой температуре. При низких температурах о
Эффект Комптона
Комптон (1923) открыл явление, в котором можно было наблюдать, что фотону присущи энергия и импульс. Результаты этого опыта — еще одно убедительное подтверждение гипотезы Эйнштейна о квантовой п
Тормозное рентгеновское излучение
Если энергия кванта значительно превышает работу выхода А, то уравнение Эйнштейна принимает более простой в
Корпускулярно-волновой дуализм света
Эффект Комптона и фотоэффект подтверждает корпускулярную природу света. Свет ведет себя как поток частиц – фотонов. Тогда как же частица может обнаруживать свойства, присущие класси
Гипотеза де Бройля
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, согласно которой движение электрона, или какой-либо другой частицы, связано с волновым процессом. Длина волны этого процесса:
Свойства волн де Бройля
Рассмотрим движение свободного электрона. По де Бройлю, ему соответствует длина волны:
Лекция 5
3. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
3.1.Волновая функция
Всякая микрочастица – это образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны. Отличие микрочастицы от волн
Принцип неопределенности
В классической механике состояние частицы задают координатами, импульсом, энергией и т.п. Это динамические переменные. Микрочастицу описывать такими динамическими переменными нельзя. Особенность ми
Уравнение Шредингера
В 1926 г. Шредингер получил свое знаменитое уравнение. Это основное уравнение квантовой механики, основное предположение, на котором основана вся квантовая механика. Все вытекающие из этого уравнен
Ядерная модель атома
Любой атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Размеры ядра менее 10-12 см, размеры же самого атома, определяемые электронной оболочкой, поряд
Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца
Постулаты Бора. Абсолютная неустойчивость планетарной модели Резерфорда и вместе с тем удивительная закономерность атомных спектров, и в частности их дискретность, привели Н. Бора
Боровская модель атома водорода
Чтобы получить согласие с результатами наблюдений, Бор предположил, что электрон в атоме водорода движется только по тем круговым орбитам, для которых его момент импульса
M=nħ,
Тогда постоянная Ридберга
Как видим, постоянная Ридберга зависит и от массы ядра. Для атома водорода, ядром которого является прото
Четность, закон сохранения четности
Кроме однородности и изотропности, имеется еще один вид симметрии пространства. Соответствующую ему операцию нельзя свести к совокупности бесконечно малых преобразований координат. Это операция инв
Квантово -механическая модель атома водорода
Электрон в атоме водорода движется в поле кулоновской силы электростатического притяжения к ядру. Потенциальная энергия электрона выражается классической формулой:
Орбитальный магнитный момент электрона
Установим вид оператора магнитного момента движущейся заряженной микрочастицы, опираясь на критерии соответствия. Магнитный момент μ частицы, движущейся по круговой траектории, связан
Спин электрона
Эксперименты показали, что у электрона, кроме орбитального магнитного момента, есть ещё собственный магнитный момент, названный спиновым
Валентным электроном
Атомы щелочных металлов имеют один внешний электрон и заполненные внутренние оболочки. Этот внешний электрон движется в электрическом поле атомного остатка, т.е. ядра и заполненных электронных обол
Ширина спектральных линий
Из возбужденного состояния атом может спонтанно перейти в более низкое энергетическое состояние. Время τ, за которое число атомов, находящихся в данном возбужденном состоянии, уменьшает
Мультиплетность спектров
Спин-орбитальное взаимодействие
Исследования спектров щелочных металлов показали, что каждая линия этих спектров является двойной (дуплет). Структура спектра, от
Многоэлектронного атома
Каждый электрон в атоме обладает орбитальным моментом импульса и собственным (спиновым) моментом импульса
Магнитный момент атома
Итак, с механическим моментом атома М связан магнитный момент μ. Отношение называется гиромагни
Векторная модель атома
При построении такой модели механические и магнитные моменты атома изображаются в виде направленных отрезков. Строго говоря, вследствие неопределенности направлений векторов
Волновая функция системы микрочастиц
Квантовая механика системы микрочастиц строится путем обобщения основных понятий и законов механики одной частицы. Состояние системы описывается волновой функцией:
Ψ = Ψ(
Принцип Паули
В системе микрочастиц проявляются также физические закономерности, которые не могут быть установлены при анализе движения одной микрочастицы.
Квантовая система, состоящая из одинаковых час
Лекция 14
9.3. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева
В 1869 г. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Х
Многоэлектронные атомы
Рассмотрим, как меняются физико-химические свойства вещества с ростом их порядкового номера z.
z = 1 – атом водорода. Один электрон находится в состоянии с п = 1, энергия эле
Эффекты Зеемана и Штарка
Эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий и энергетических уровней во внешнем магнитном токе.
Спектральная линия с частотой
Рентгеновские спектры
Различают два вида рентгеновского излучения - тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение получается при не слишком больших энергиях бомбардирующих атом электронов. Это излучение
Ионная и ковалентная связь. Молекула водорода. Обменный интеграл
Ограничимся рассмотрением только двухатомных молекул. Различают два вида связи между атомами в молекулах. Один из них осуществляется в том случае, когда электроны в молекуле можно разделить на две
Молекулярные спектры
Молекулярные спектры состоят из полос. Полосы состоят из большого числа тесно расположенных линий. Поэтому спектры молекул называют полосатыми. В зависимости от того, изменение каких видов энергии
Генераторы когерентного света
Слово лазер является аббревиатурой выражения “Light amplification by stimulated of radiation”, что означает “усиление света в результате индуцированного (вынужденного) излучения фотонов.
В
Схемы накачки
Рассмотрим процессы получения в данной среде инверсной населенности. На первый взгляд может показаться, что инверсию можно создать при взаимодействии среды с достаточно мощной электромагнитной волн
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
и спектральной плотностью потока rw. Число поглощенных ансамблем фотонов за время ∆t равно числу переходов атомов с уровня n на уровень m rwBnmNndt.При этом поглощенная ансамблем энергия
.
.
> 
,
,
.
и 
– поперечные сечения взаимодействия фотона с атомом на переходах m
n и n
, (11.5)
На рис.11.2 показана схема оптического квантового генератора, 1 - рабочее тело; 2 - элемент накачки; З1- глухое зеркало; З2- зеркало, частично пропускающее излучение.
Новости и инфо для студентов