ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Солнце и лазер из "Голография " Повсюду мы встречаемся с источниками излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Такими источниками являются Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы, лазерые источники излучения и др. Даже хорошо нам знакомый паяльник является источником излучения. Он излучает тепло, а это и есть инфракрасные волны. Физики еще в прошлом веке установили основные законы излучения. [c.20] Вспомним чем сильнее нагрет гвоздь, тем больше он отдает тепла, и рука ощущает это тепло с большего расстояния. Если нагревать гвоздь еще, он приобретает малиновый цвет, красный, далее красный цвет переходит в желтый, а затем в ослепительно белый. Таким образом, гвоздь начинает излучать не только инфракрасные, но и видимые глазом лучи. Но для этого нужно нагреть гвоздь до температуры, близкой к 1000° С. А как узнать более точно Для этого нужен образцовый стандартный источник света. Оказалось, что им может быть так называемое абсолютно черное тело. Что это такое Представим себе полый шар с маленьким отверстием (рис. 12). Если в это отверстие попадает под некоторым углом луч света, то, многократно отразившись от стенок, он так и не выйдет из шара, растеряв всю свою энергию. Отверстие этого простого устройства поглощает падающее на него излучение полностью. Даже самый черный бархат часть света отражает, а вот такое отверстие чернее самого черного бархата. [c.20] Попытка объединить эти два закона в единый едва не кончилась ультрафиолетовой катастрофой Согласно единому закону интенсивность излучения, испускаемого нагретым телом, прямо пропорциональна его абсолютной температуре и обратно пропорциональна квадрату длины волны испускаемого света, что справедливо для зеленых и желтых лучей, но безгранично нарушается при приближении к ультрафиолетовой области. По закону выходило, что интенсивность излучения при переходе к более коротким волнам должна расти бесконечно. Но такого не могло быть Это приводило к краху всей теории излучения. Факты не укладывались в теорию. Физики растерялись. [c.21] Выход из тупика был найден немецким физиком Максом Планком. Он вывел сложную формулу, которая хорошо описывала рассмотренные законы. Но в ней были выражения, не имеющие очевидного физического смысла. Это показалось представителям классической физики странным. Результаты, полученные по формуле, хорошо совпадают с экспериментом, а формула не выводится из законов классической физики, основанных на положении о непрерывности излучения, непрерывности энергии. [c.21] Этот закон говорит о том, что чем больше частота, тем больше порция энергии. Однако энергия, заключенная в кванте, очень мала. Такой незначительный источник, как лампа накаливания мощностью всего в 25 Вт, на желтой волне испускает 6 10 квантов в секунду. Следовательно, глаз не в состоянии уловить это мелькание и мы наблюдаем излучение как непрерывное. [c.22] Трудами Планка и Эйнштейна уже было доказано,что излучение имеет электромагнитную природу, является одной из форм существования энергии и обладает квантово-волновыми свойствами. Квантовый характер излучения проявляется при испускании и поглощении энергии света, при взаимодействии излучения и вещества, а волновой характер - в явлениях интерференции и дифракции. [c.22] Сейчас хорошо известно, что атомы состоят из ядра и электронов. А не участвуют ли электроны в излучении видимых и инфракрасных волн Откуда берется излучаемая энергия Известно, что электроны движутся в атоме не как попало, а по строго определенным вокруг ядра орбитам. Имеются как близкие к ядру орбиты, так и относительно далеко отстоящие. Чем ближе электроны к ядру, тем большей энергией они должны обладать, чтобы не упасть на ядро. Отсюда можно сделать вывод, что электроны подразделяются на группы по энергии. Иными словами, каждая группа имеет свой энергетический уровень. [c.22] Пока электрон находится на орбите, он не излучает энергии. Теперь представим себе, что электрон перескочил на соседнюю орбиту, расположенную несколько дальше от ядра, т. е. на другой, меньший энергетический уровень. Куда исчезла разность энергии Она выделилась в виде фотона электромагнитной энергии. И теперь электрон движется по новой орбите, не излучая энергии. Если зарегистрировать фотон с помощью фотопластинки или фильтров, то можно определить его частоту. По формуле Планка можно вычислить и энергию фотона. Она равна разнице энергий электрона на старой и на новой орбитах в атоме. Степень почернения фотопластинки говорит о числе упавших на нее фотонов. [c.22] Если поле, действующее на систему извне, отсутствует, то процесс перехода системы в равновесное состояние, сопровождаемый излучением и характеризуемый постоянной составляющей вероятности перехода, называют спонтанным излучением. Если же на квантовую систему действует внешнее поле на частоте перехода, то возможность спонтанного излучения остается, однако внешнее поле на частоте перехода повышает его вероятность, вызывая излучение, находящееся в определенных соотношениях с этим полем. Поэтому такое излучение называют стимулированным излучением. На рис. 14 показаны характеристики поглощения и излучения средой (на рисунке она заштрихована) с различной заселенностью энергетических уровней, где п и П2 число частиц на нижнем и верхнем уровнях, а Т- абсолютная температура. [c.24] Для равновесной системы амплитуда падающей волны уменьшается по экспоненциальному закону. По этому же закону увеличивается амплитуда неравновесной системы. [c.24] Процесс нарастания энергии носит лавинообразный характер. Энергия выходной волны быстро увеличивается при сохранении прежней частоты колебаний. Таким образом, неравновесная система стала усилителем электромагнитной энергии охггического диапазона. Впервые на возможность и способ получения неравновесных состояний указал еще в 1940 г. в докторской диссертации советский физик В. А. Фабрикант, который в 1951 г. с группой сотрудников создал усилитель света. [c.25] Такой источник света имеет существенные отличия от обычных, хорошо известных источников. Одно из исследований коснулось спектрального состава солнечного излучения - распределения излучения по длине волны. С помощью спектрометров получили зависимость, которая показана на рис. 16. Хорошо видно,что спектр представляет собой непрерывную полосу с ярко выраженным горбом. Эта полоса простирается от ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимую часть спектра. Максимум излучения (горб) лежит в видимой области на волне около 0,6 мкм, что соответствует температуре АЧТ, нагретого до 6000 К. Значит, в излучении принимают участие электроны, атомы, молекулы, находящиеся на самых различных энергетических уровнях, причем каждое элементарное излучение не связано с другим ни по фазе, ни по частоте, оттого и получился широкий спектр излучения. Такое излучение называют некогерентным. В нем нет ярко вьфаженной связи между отдельными типами колебаний. [c.25] Такое излучение еще носит название белого шума, если использовать понятия радиотехники. [c.26] Новый тип источников излучения - лазеры, появившийся на глазах нашего поколения, не имеет этих недостатков их спектральное распределение излучения сосредоточено в узкой линии, а пространственно оно сосредоточено в узком телесном углу. Рассмотрим особенности лазеров как источников излучения. [c.26] К основным достоинствам лазеров следует отнести высокую степень когерентности, точную направленность излучения, монохроматичность, значительную спектральную яркость. [c.26] Когерентноеть излучения. В известных ранее источниках излучения отсутствовала взаимосвязь между отдельными типами колебаний, почти полностью отсутствовала когерентность между световыми волнами, вышедшими из различных точек излучения. Лазерное же излучение пространственно когерентно потому, что волновые фронты плоски и перпендикулярны направлению распространения волн. Оно когерентно и во времени, так как имеется строгое фазовое соответствие между излучаемыми волнами. Чем точнее волна сохраняет заданную частоту, тем более отчетливо проявляется свойство временной когерентности. [c.26] Для сравнения если взять лазер мощностью всего в 10 Вт и сфокусировать его луч на площади в 2 мкм , то плотность потока будет равна 10 Вт/м . Солнце же имеет плотность потока на своей поверхности всего 7 10 Вт/мт. е. меньше почти в 10 ООО раз. Сфокусировать излучение Солнца на площадь малых размеров не удается, потому что оно не является точечным источником излучения. Его угловой размер около половины градуса, и, следовательно, в фокальном пятне не может быть получена плотность потока больше, чем на самом источнике. [c.27] Высокая направленвосп нзлученвя. Для получения высокой направленности лазерного пучка и для вовлечения в процесс излучения всех возбужденных частиц, находящихся в микросистеме, ее располагают между двумя зеркалами. Одно из них делают полупрозрачным, а другое - с почти максимальным коэффициентом отражения глухое зеркало, как его называют оптики). На рис. 17 показано шесть стадий излучения. На первой стадии все атомы активного вещества, кроме двух, находятся в нормальном (невозбужденном) состоянии. На второй стадии излучения микросистема, которую для краткости будем называть средой, подвергается воздействию электромагнитного поля - оно обозначено стрелками. Это приводит к тому, что часть энергии передается атомам системы - число возбуждаемых частиц теперь превышает число невозбужденных. Среда перешла в неравновесное состояние. [c.27] Направленность излучения имеет большое значение для связных и локационных систем, работающих на больших расстояниях. Плотность потока в обычном луче убывает пропорционально квадрату расстояния от источника. С увеличением расстояния в 100 раз плотность потока в луче падает в 10 ООО раз. Поэтому конструкторы идут на использование громоздких антенн для того, чтобы обеспечить высокую направленность излучения. Диаметр этих антенн достигает 5. .. 10 м, что позволяет сконцентрировать радиоизлучение в угле 3. .. 10°. [c.28] Для получения направленности излучения в угле 1. .. 2° для лазера, изготовленного с использованием стеклянного активного вещества, нет необходимости в применении дополнительной оптической системы. И без нее открытый зеркальный резонатор длиной около 1 м и с диаметром зеркал около 50 мм обеспечивает такой угол. [c.28] Вернуться к основной статье