Лазер

Цели урока:

Образовательная: сформировать представление о вынужденном излучении как квантовом явлении, изучить устройство и принцип действия лазера .

Воспитательная: рассмотреть вклад русской школы физиков в создание и использование лазеров;

Развивающие:

Раскрыть возможности лазеров в ускорении НТП.

План урока:

Введение. Постановка учебной проблемы урока.        2-3 мин

Изучение нового материала.                                            40 мин

Подведение итогов.                                                         2-3 мин

Домашнее задание.                                                          1-2 мин

1.Введение.

Какие понятия и положения квантовой физики мы изучили.

Понятие о фотоне, корпускулярно-волновой дуализм , формулу Эйнштейна,

Постулаты Бора.

   Имеют ли эти понятия практическое значение?

Влияют ли эти знания на нашу жизнь?

Какие физические явления объяснила квантовая физика как теория?

Вероятно на эти вопросы мы пока ответить не можем.

На сегодняшнем уроке мы выясним, как абстрактные теоретические представления об излучении атомных систем изменяют наш материальный мир, приводят к революции в технике , в производстве бытовых устройств…

2.  изучение нового материала.

А) из истории создания квантового генератора.

История создания лазера

1916 год. Альберт Эйнштейн предсказывает возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов, которое обладает теми же характеристиками.

1939 год. Валентин Фабрикант, сотрудник МЭИ, формулирует принцип усиления электромагнитного излучения для среды, в которой можно создать инверсную, то есть возрастающую с увеличением энергетического уровня населенность электронами их атомных орбит.

1955 год. Николай Басов и Александр Прохоров разрабатывают мазер, активной средой которого является аммиак.

1957 год. Американские ученые Чарльз Таунс и Артур Шавлов начинают разработку принципов лазера.

1958 год. Александр Прохоров использует для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

1960 год. Американский физик Теодор Мейман, сотрудник фирмы "Хьюз Эйркрафт", сконструировал на основе работ Басова, Прохорова и Таунса первый лазер на рубине (длина волны 0,69 мкм). Тогда же Чарльз Таунс и Артур Шавлов запатентовали изобретение лазера.

1962 год. Николай Басов предложил идею лазера на основе полупроводникового кристалла, а американцы Джаван, Беннет и Гарриот разработали газовый лазер.

Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные когерентные источники излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10¹²–10¹³ Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, в оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый лазер был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

В тра­диционных источниках света, таких как лампа накаливания или натриевая лампа, атомы получают энергию от электро­нов, создающих электрический ток. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома примерно через (10^-8 -10 ^-7 с.) без какого-либо внешнего воздействия (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются электронами и излучают фотоны независимо друг от друга, поэтому излучаемые ими фотоны некогерентны друг с дру­гом.

Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E₁, E₂ и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны.

Рассмотрим теперь возможные процессы взаимодейст­вия атома с фотоном. Пусть энергия фотона равна: hv=E₂-E₁

 где Е_г, Е₂— энергии основного и возбужденного состояний атома.

1.  Поглощение света. Электрон атома, находящийся в ос­новном состоянии с энергией Е₁, может поглотить фотон, пе­рейдя  в  возбужденное  состояние  с  энергией  Е₂  >  Е₁ . Интенсивность поглощенного излучения про­порциональна концентрации п₁ атомов, находящихся в ос­новном состоянии.

 Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

2. Спонтанное излучение. В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10⁸—10~⁷с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное со­стояние.

Спонтанное излучение — излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состоя­ния в другое.

Спонтанное излучение различных атомов происходит не­когерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

 Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием ф отон ов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

 На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни называются метастабильными.

3. Индуцированное излучение .Теперь самое главное. В 1916 году А. Эй ншт ейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным.

Индуцированное (вынужденное) излучение — излуче­ние атома, возникающее при его переходе на более низ­кий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.

Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

Слово «лазер» образовано начальными буква­ми английских слов light amplification by stimulated emis­sion of radiation («усиление света с помощью вынужденного излучения»).

Трехуровневая система. Сущест­вуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждают­ся за счет поглощения света. Процесс носит название – накачка.                     

Но двух уровней энергии для ра­боты лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет боль­ше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные пере­ходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использо­вании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда ве­лико, но речь идет о «работающих» уровнях). На рисунке изобра­жены три энергетических уровня. Су­щественно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находит­ся в различных энергетических со­стояниях («время жизни»), неодина­ково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10~⁸ с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается крис­таллической решетке.) «Время жиз­ни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10 ³ с. Переход из состояния 2 в состояние / под действием внешней электромаг­нитной волны сопровождается излу­чением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы сис­тема переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10 ⁸ с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается «перенаселен­ность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уров­нем.

Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E₂ и E₃. Уровень E₂ – метастабильный. Переход между уровнями E₃ и E₂ безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E₂ и E₁. В кристалле рубина уровни E₁, E₂ и E₃ принадлежат примесным атомам хром

Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах руби­на. Рубин — это ярко-красный крис­талл оксида алюминия АЬО.ч с при­месью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в крис­талле обладают требуемыми свой­ствами.

Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, име­ющая форму спирали , дает сине-зеленый свет. Кратковре­менный импульс тока от батареи кон­денсаторов емкостью в несколько ты­сяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселенным».

В результате самопроизвольных переходов 2-1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах ни­какой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вы­зывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а дру­гой  - полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микро­секунд) импульс красного света.

Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 10⁶–10⁹ Вт. Исторически это был первый действующий лазер (американский физик Т. Майман, 1960 г.).

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры   способны   создавать пучки света с очень малым углом
   расхождения (около 10 « рад). На Луне такой  пучок,  испущенный  с
   Земли, дает пятно диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладает исклю­чительной   монохроматичностью.   В отличие от обычных источников све­та, атомы которых излучают свет не­зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.
3. Лазеры    являются    самыми мощными источниками снега. В уз­ком  интервале  спектра  кратковре­менно (в течение промежутка време­ни    продолжительностью    порядка 10 ^|3 с) у некоторых типов лазеров достигается    мощность    излучения
   10¹⁷ Вт/см², в то время как мощ­ность излучения Солнца равна толь­ко 7-10³ Вт/см², причем суммарно повсему спектру. На узкий же интер­вал ДЛ,= 10 ⁶ см (ширина спектраль­ной  линии  лазера)   приходится  у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². На-­
   пряженность электрического поля в электромагнитной волке, излучаемой
   лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

     На заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовлено большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – это целая техническая эпоха».

    С тех пор прошло не мало времени более 40 лет. Время показало, что учёный был прав. Пройдёт ещё десять – пятнадцать лет, и многие из вас соприкоснуться с лазерной техникой и найдут новые свойства у этого, ставшего привычным, прибора, а кто – то, может быть, свершит с его помощью невиданные открытия, которые мы сегодня и представить себе не можем! Ведь сорок – пятьдесят лет назад не могли представить, что из забавного математического курьёза, не имеющего, казалось, никакого физического смысла, родиться такое замечательное изобретение, как лазер.