1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Фізика
  3. Лазер, принцип дії лазера

Лазер, принцип дії лазера

Лазер — це пристрій, який перетворює різні види енергії (електричну, світлову, теплову, хімічну та інші) в енергію когерентного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону.

У простих джерелах світла (нагріті тіла, лампи розжарювання та інші) атоми отримують енергію за рахунок збудження валентних електронів, які  знаходяться на зовнішніх електронних оболонках.

Перейшовши в збуджений стан, електрон атома приблизно через 10-8-10-7 с. без будь-якого зовнішнього впливу, спонтанно (мимовільно) повертається в основний стан, випромінюючи фотон. Атоми збуджуються і випромінюють фотони незалежно один від одного, тому випромінювані ними фотони некогерентні один з одним.

Вірогідними процесами взаємодії атома з фотоном, у якого енергія дорівнює різниці енергій основного E1 і порушеної E2 станів (рівнів енергії) атома hv = E2-E1 є наступні:

  • Поглинання світла. Електрон атома, який знаходиться в основному стані з енергією Ev здатний поглинути фотон, при переході у збуджений стан з енергією Е2 > Е1. Інтенсивність поглиненого випромінювання виявляється пропорційною концентрації n1 атомів, які знаходяться в основному стані.
  • Спонтанне випромінювання. При відсутності зовнішніх полів або зіткнень з іншими частинками електрон, який знаходиться в збудженому стані, через час приблизно рівний 10-8-10-7 мимовільно повертається в основний стан, випромінюючи при цьому фотон.

Спонтанним випромінюванням називається випромінювання, яке випускається при мимовільному переході атома з одного стану в інший.

Спонтанне випромінювання різних атомів відбувається некогерентно, так як всі атоми починають і закінчують випромінювання незалежно один від одного.

Індуковане випромінювання. В 1917 році Ейнштейном було передбачено, що збуджений атом здатен до випромінювання під дією падаючого на нього світла.

Індукованим (вимушеним) випромінюванням називають випромінювання атома, яке виникає при переході на більш низький енергетичний рівень під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання.

Інтенсивність індукованого випромінювання виявляється пропорційною концентрацією n2 атомів, які знаходяться в збудженому стані. При цьому світлова хвиля, яка утворюється при індукованому випромінюванні, володіє тією ж частотою, поляризацією, фазою і напрямком розповсюдження, що і падаюча на атом хвиля.

Це говорить про те, що інтенсивність падаючого випромінювання збільшується, тобто виникає оптичне підсилення.

Принцип дії лазера

У 1939 році російським фізиком Ст. А. Фабрикантом експериментально було помічено посилення електромагнітних хвиль (оптичне посилення) в результаті процесу індукованого випромінювання. Перший лазер, який працював на кристалі рубіна у видимому діапазоні створив у 1960 році американський фізик Теодором Мейманом.

Посилення випромінювання, падаючого на середовище, буде відбуватися в тому випадку, якщо число частинок на збудженому рівні n2 стане більше числа частинок на основному рівні енергії:

n2 > n1

Подібний стан системи є інверсною населеністю. У стані термодинамічної рівноваги, коли система займає основний стан з мінімальною енергією Е1, тобто коли n1 > n2, посилення світла не відбудеться.

Інверсною населеністю енергетичних рівнів називають нерівноважний стан середовища, при якому концентрація атомів у збудженому стані виявляється більшою, ніж концентрація атомів в основному стані.

Але самовільні переходи не дають атомам накопичуватися в збудженому стані. Якщо збуджений стан виявляється метастабільним, то цим можна знехтувати.

Метастабільний стан – це збуджений стан електрона в атомі, в якому він може знаходитись набагато довше (наприклад, 10-3 с), ніж у звичайному збудженому стані (10-8 с).

Саме на цьому грунтується принцип дії рубінового лазера. Рубін, який використовується як активний елемент в лазері, є монокристалом Al2O3, в якому частина іонів алюмінію заміщена іонами Cr3 .

За допомогою спеціальної лампи (оптичної накачки) іони хрому переводяться з основного стану E1 у порушений — E3. Через 10-8 с. іони, передаючи частину енергії кристалічній решітці, переходять із збудженого стану E3 в метастабільний стан E2< E3, де починають накопичуватися.

Мала ймовірність переходу з цього рівня на основний призводить до інверсної заселеності (n2 > n1) цього рівня.

Випадковий фотон з енергією hv = Е21 може викликати лавину індукованих когерентних фотонів. Індуковане випромінювання, яке розповсюджується вздовж осі циліндричного монокристала рубіна, багаторазово відбивається від його торців і швидко посилюється.

Один з торців рубінового стрижня роблять дзеркальним, а інший — частково прозорим. Через нього виходить потужний імпульс когерентного монохроматичного випромінювання червоного кольору з довжиною хвилі 694,3 нм.

Зараз є багато різних типів і конструкцій лазерів.

Особливості лазерного випромінювання:

  • лазерне випромінювання виключно монохроматичне і когерентне;
  • пучок світла лазера має дуже малий кут розбіжності (близько 10-5 рад);
  • лазер — це найпотужніше штучне джерело світла. Напруженість електричного поля електромагнітної хвилі, яке випромінюється лазером, перевищує напруженість поля всередині атома.
ПОДІЛИТИСЯ: