ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Типы лазеров и их параметры из "Применение лазеров в машиностроении и приборостроении " Все окружающие нас тела состоят из элементарных частиц — атомов или из групп определенным образом объединенных атомов— молекул. Любая молекула состоит из совокупности электронов и атомных ядер, движение и взаимное расположение которых определяет значение внутренней энергии молекулы. Каждый атом или молекула могут обладать различными, но вполне определенными значениями энергии, т. е. находиться в том или другом энергетическом состоянии. Таким образом, их внутренняя энергия квантована. [c.5] Если построить диаграмму, откладывая по вертикали значение энергии атома то каждому значению будет соответствовать свой уровень и диаграмма состояний атома будет представлена рядом вполне определенных дискретных энергетических уровней. [c.5] В квантовой электронике обычно имеют дело не с одним атомом, а с весьма большим его числом, представляющим собой некоторый ансамбль частиц. Так, в одном кубическом сантиметре газа при нормальных условиях находится 2,7 см атомов (число Лошмидта). [c.5] На рис. 1 представлена диаграмма энергетических уровней длина горизонтальной линии определяет здесь населенность того или другого уровня. [c.6] Свет представляет собой электромагнитные волны. Энергия электромагнитного поля света также квантована. Каждый квант энергии излучения — фотон — равняется hv, где V — частота колебаний, а Я = 6,625-10 Дж/с — постоянная Планка. Таким образом, энергия фотона прямо пропорциональна частоте и возрастает с уменьшением длины волны. [c.6] Атом может взаимодействовать с электромагнитным излучением, изменяя при этом свое энергетическое состояние и совершая переход с одного уровня на другой. [c.6] При поглощении электромагнитной энергии происходит переход атома в состояние с большим значением энергии, т. е. переход его на более высокий энергетический уровень. При переходе на нижний энергетический уровень происходит испускание энергии в виде кванта света. [c.6] Индуцированное и спонтанное излучения впервые были рассмотрены Эйнштейном. Им были теоретически введены коэффициенты спонтанного и индуцированного излучений Л и fi, получившие название коэффициентов Эйнштейна, а также установлено соотношение между ними. [c.7] Коэффициент спонтанного перехода определяет вероятность спонтанного перехода изолированного атома в единицу времени с уровня m на уровень п. Коэффициенты вынужденного излучения и поглощения определяют вероятность соответствующих переходов в единицу времени при воздействии на атом потока энергии со спектральной плотностью, равной единице. [c.7] Из (10) следует, что при невырожденных энергетических уровнях (.ёт = ёп = 1) Л/, должно быть больше /V . [c.8] Таким образом, мы приходим к заключению, что условием усиления электромагнитной волны ансамблем атомов является распределение в нем населенностей по энергетическим уровням, противоположное имеющему место обычно при термодинамическом равновесии. Число молекул на верхнем энергетическом уровне в отличие от распределения Больцмана должно быть больше, чем на нижнем. Это является основным условием работы всех типов квантовых усилителей и генераторов. В случае, когда V , будет меньше N , 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 будет являться поглощающей средой, ослабляющей проходящую через него электромагнитную волну. [c.8] Из (11) следует, что мощность излучения пропорциональна разности населенностей энергетических уровней. Таким образом, при создании квантового генератора необходимо прежде всего выполнение таких условий, при которых в ансамбле частиц населенность верхнего энергетического уровня будет по возможности больше населенности нижнего. Для этого, очевидно, необходимо предварительно подвергнуть ансамбль соответствующему воздействию, которое привело бы к должному перераспределению частиц по энергиям. Такого рода воздействие, называемое накачкой, по существу сводится к возбуждению частиц ансамбля. Оно может быть осуществлено различными способами, например облучением ансамбля потоком фотонов или электронов, обладающих такой энергией, при которой происходит переход частиц на верхний рабочий уровень т с одного из уровней i, расположенных ниже уровня п, а потому имеющих значительно большую населенность, чем нижний рабочий уровень п. [c.8] НИИ облучению потоком фотонов слабой интенсивности, но с частотой, равной частоте перехода с уровня т на уровень п, то в результате взаимодействия с частицами ансамбля произойдет их лавинное размножение. Действительно, взаимодействие какого-либо фотона частоты с возбужденной частицей приведет к вынужденному излучению фотона той же частоты, распространяющегося в том же направлении. В результате акта взаимодействия образуются уже два фотона, которые, распространяясь дальше и встретив соответственно две возбужденные частицы, образуют еще два фотона. Четыре фотона затем превратятся в восемь, шестнадцать и т. д. В таком размножении будут участвовать все фотоны, образующие поток электромагнитной волны, которой был освещен ансамбль. В результате на выходе из области, где был расположен ансамбль рабочих молекул, интенсивность пучка света будет значительно превосходить интенсивность на входе [20, 119]. [c.9] Чем меньше вероятность перехода с одного уровня на другой, т. е. чем больше время жизни атома по отношению к данному переходу, тем уже интервал значений AW и тем меньше размыт данный уровень (рис. 2), а следовательно, соответствующая спектральная линия будет уже. [c.10] Ширина спектральной линии может изменяться при процессах, ограничивающих время жизни возбужденного состояния и моделирующих случайным образом энергетические состояния. К таким процессам относятся различные виды соударений (например, соударение излучающего атома в газе с нейтральными атомами, ионами и электронами, со стенками сосуда), а также взаимодействие излучающего атома с кристаллической решеткой в твердом теле. Все эти процессы сокращают время жизни атома на данном энергетическом уровне и, согласно (14), приводят к увеличению А1 , т. е. к расширению спектральной линии. Однако и в этих случаях форма спектральной линии определяется уравнением (17), получившим название лоренцевой формы. [c.10] Поскольку частота соударений зависит от давления газа, ширина линии излучения также зависит от давления. [c.11] Соударения являются разновидностью релаксационных процессов, т. е. процессов, стремящихся вернуть систему в состояние равновесия. В твердых телах к таким релаксационным процессам относится взаимодействие между рабочим атомом и кристаллической решеткой, приЕсдящеек уширению линии, которое определяется формулой, аналогичной (18). Только в ней должно быть заменено величиной — постоянной времени соответствующей релаксации. [c.11] В реальных условиях одновременно действуют механизмы, определяющие как лоренцеву, так и гауссову формы. Поскольку эти механизмы действуют независимо, то результирующая форма линии может быть вычислена путем анализа каждой весьма малой полосы частот лоренцевой кривой, уширенной вследствие эффекта Доплера [109, 1341. [c.11] Следует иметь в виду, что в газе со средним атомным весом порядка 20 при невысоких температурах (около 300 К) доплеровская ширина на два порядка больше естественной ширины. [c.11] Однако, если ансамбль поместить в резонатор, то излучение, прежде чем покинуть его, претерпит весьма большое число отражений. В резонаторе, настроенном на частоту колебаний атомов или молекул, находящихся в нем, будет происходить интенсивное индуцированное излучение. Если испускаемая энергия будет больше потерь в резонаторе, то станет возможным усиление поступающего в резонатор излучения. В тех случаях, когда индуцированное излучение окажется достаточным для преодоления потерь не только в резонаторе, но и в различных его нагрузках, станет возможным также и генерирование электромагнитных волн. [c.12] Вернуться к основной статье