Aatomi madalaim energiatase vastab väikseima raadiusega orbiidile. Normaalses olekus on elektron sellel orbiidil. Kui osa energiast antakse edasi, liigub elektron teisele energiatasemele, s.t. "hüppab" ühele välisorbiidile. Selles niinimetatud ergastatud olekus on aatom ebastabiilne. Mõne aja pärast liigub elektron madalamale tasemele, s.t. väiksema raadiusega orbiidile. Elektroni üleminekuga kaugelt orbiidilt lähedasele kaasneb valguskvanti emissioon. Valgus on aatomite kiirgavate eriliste osakeste voog – footonid ehk elektromagnetkiirguse kvantid. Neid tuleks käsitleda kui laine segmente, mitte aineosakesi. Iga footon kannab rangelt määratletud osa energiast, mille aatom "väljastab".
Põhiseisundis on aatomid madalaima energiaga 1. energiatasemel. Aatomi üleviimiseks 2. tasemele tuleb anda sellele energia hν=∆E=E2-E1. Või nad ütlevad, et aatomil on vaja suhelda ühe energiakvantiga. Kahe elektroni vastupidine üleminek võib toimuda spontaanselt, ainult ühes suunas. Koos nende üleminekutega on võimalikud ka sundsiirded väliskiirguse mõjul. Üleminek 1à2 on alati sunnitud. Aatom, mis satub olekusse 2, elab selles 10 (s.-8) s, misjärel aatom naaseb spontaanselt algsesse olekusse. Koos spontaanse 2à1 üleminekuga on võimalik sundüleminek, mille käigus kiirgub selle ülemineku põhjustanud energiakvant. Seda lisakiirgust nimetatakse sund- või indutseeritud kiirguseks. See. Välise kiirguse mõjul on võimalikud 2 üleminekut: stimuleeritud emissioon ja stimuleeritud neeldumine ning mõlemad protsessid on võrdselt tõenäolised. Stimuleeritud emissiooni ajal eralduv lisakvant viib valguse võimendamiseni. Indutseeritud kiirgusel on järgmised omadused: 1) indutseeritud kvanti kuumenemine langeb kokku indutseeriva kvanti pingega, 2) indutseeriva kiirguse faas, polarisatsioon, sagedus langeb kokku indutseeriva kiirguse faasi, polarisatsiooni ja sagedusega, s.o. indutseeritud ja indutseeriv kiirgus on väga koherentsed, 3) iga indutseeritud üleminekuga lisandub 1 energiakvant, s.o. valguse võimendus. j
PILET 8
Helitaju subjektiivsed omadused, nende seos heli objektiivsete omadustega.
Subjektiivsed heliomadused
Inimmeeles tekivad heli vastuvõtvast organist tulevate närviimpulsside mõjul kuulmisaistingud, mida subjekt saab teatud viisil iseloomustada.
Helil on kolm subjektiivset omadust, mis põhinevad aistingutel, mida antud heli subjektis tekitab: helikõrgus, tämber ja valjus.
Kõrguse mõistet kasutab uuritav erineva sagedusega helide hindamiseks: mida kõrgem on heli sagedus, seda kõrgemaks antud heli nimetatakse. Siiski ei ole heli sageduse ja heli kõrguse vahel üks-ühele vastavust. Heli kõrguse tajumist mõjutab selle intensiivsus. Kahest sama sagedusega helist tajutakse kõrgema intensiivsusega heli madalamana.
Heli tämber on heli kvalitatiivne tunnus (teatud heli "värvimine"), mis on seotud selle spektraalse koostisega. Erinevate inimeste hääled erinevad üksteisest. Selle erinevuse määrab erinevate inimeste tekitatud helide erinev spektraalne koostis. Erinevate tämbritega häältele on olemas erinimetused: bass, tenor, sopran jne. Samal põhjusel eristavad inimesed erinevatel muusikariistadel mängitavaid samu noote: erinevatel pillidel on erinev helide spektraalne koostis.
Valjus on heli subjektiivne omadus, mis määrab kuulmisaistingu taseme: mida kõrgemat kuulmisaistingut subjekt kogeb, seda valjemaks ta heliks nimetab.
Kuulmisaistingu tugevus (valjusus) oleneb heli intensiivsusest ja katsealuse kuulmissüsteemi tundlikkusest. Mida suurem on heli intensiivsus, seda suurem on kuulmisaisting (valjus), kui kõik muud asjad on võrdsed.
Inimese kuulmissüsteem on võimeline tajuma helisid, mille intensiivsus varieerub väga laias vahemikus. Kuulmisaistingu tekkimiseks peab heli intensiivsus ületama teatud väärtust / 0. Uuritava kuuldeaparaadi poolt tajutavat helitugevuse minimaalset väärtust / 0 nimetatakse läve intensiivsuseks ehk kuuldavuse läveks. Kuulmislävel on erinevate inimeste jaoks erinevad väärtused ja see muutub heli sageduse muutudes. Keskmiselt võetakse normaalse kuulmisega inimeste puhul sagedustel 1–3 kHz kuulmisläveks Io 10" 12 W/m".
Teisest küljest, kui heli intensiivsus ületab kuulmisorganis teatud piiri, tekib kuulmisaistingu asemel valuaisting.
Helitugevuse I Maxi maksimaalset väärtust, mida katsealune ikka veel heliaistinguna tajub, nimetatakse valuläveks. Valulävi väärtus on ligikaudu 10 W/m." Kuulmislävi 1 0 ja valulävi 1 max määravad kindlaks helide intensiivsuse vahemiku, mis tekitab subjektis kuulmisaistingu.
Elektroonilise diagnostikaseadme plokkskeem. Soojusandur, seade ja tööpõhimõte. Soojusanduri tundlikkus.
Spektroskoop. Spektroskoopi optiline konstruktsioon ja tööpõhimõte.
PILET 9
Weber-Fechneri seadus. Helide helitugevus, helitugevuse ühikud.
Inimese kuulmissüsteemi tundlikkus sõltub omakorda heli intensiivsusest ja selle sagedusest. Tundlikkuse sõltuvus intensiivsusest on kõigi meeleorganite ühine omadus ja seda nimetatakse kohanemiseks. Meelte tundlikkus välisele stiimulile väheneb automaatselt stiimuli intensiivsuse kasvades. Kvantitatiivset seost elundi tundlikkuse ja stiimuli intensiivsuse vahel väljendab empiiriline Weber-Fechneri seadus: kahe stiimuli võrdlemisel on aistingu tugevuse suurenemine võrdeline stiimuli intensiivsuse suhte logaritmiga. stiimulid.
Matemaatiliselt väljendab seda seost seos
∆E = E 2 -E 1, = k*lgI 2 /I 1
kus I 2 ja I 1 on stiimulite intensiivsus,
E 2 ja E 1 - vastavad aistingute tugevused,
k on koefitsient, mis sõltub aistingute intensiivsuse ja tugevuse mõõtmise ühikute valikust.
Kooskõlas Weber-Fechneri seadusega suureneb heli intensiivsuse kasvades ka kuulmisaistingu suurus (valjusus); tundlikkuse vähenemise tõttu suureneb aga kuulmisaistingu suurus vähemal määral kui heli intensiivsus. Kuulmisaistingu tugevus suureneb koos heli intensiivsuse suurenemisega võrdeliselt intensiivsuse logaritmiga.
Kasutades Weber-Fechneri seadust ja läve intensiivsuse mõistet, saab kasutusele võtta valjuse kvantitatiivse hinnangu. Paneme valemisse (4) esimese stiimuli (heli) intensiivsuse, mis on võrdne lävega (I 1 =I 0), siis E 1 võrdub nulliga. Jättes välja indeksi “2”, saame E = k*lgI/I 0
Kuulmisaistingu (helitugevuse) E suurusjärk on võrdeline selle tundlikkuse tekitanud heli intensiivsuse suhte logaritmiga läve intensiivsusse I 0. Seades proportsionaalsuse koefitsiendi väärtuseks üks, saame helitugevuse kuulmisaisting E ühikutes, mida nimetatakse "bel".
Seega määratakse kuulmisaistingu (valjuduse) suurus valemiga
E = logI/I 0 [B].
Koos bellitega kasutatakse 10 korda väiksemat ühikut, mida nimetatakse detsibelliks. Heli tugevus detsibellides määratakse valemiga
E = 10 lgI/I 0 [DB].
Elektroonilise diagnostikaseadme plokkskeem. Võimendi otstarve ja peamised omadused. Moonutuste tüübid. Võimendi võimendus, selle sõltuvus ahela parameetritest.
Lahuste läbilaskvus ja optiline tihedus, nende sõltuvus kontsentratsioonist.
Märkus: r" ja k" on vastavalt vektorid r ja k.
Kvantmehaanika üks peamisi järeldusi ütleb, et iga füüsikaline süsteem (näiteks elektron aatomis) saab olla ainult ühes etteantud energiaseisundis ehk süsteemi nn omaseisundites. Iga olekut (näiteks elektroni olekut) saab seostada omafunktsiooniga
Ψ (r" , t) = U n * (r") * e -iEnt/ħ
ja | Un (r") | 2 dxdydz - tõenäosus leida elektron teatud olekus n elementaarmahus dxdydz keskpunktiga, mille määrab raadiusvektori r", E n - n-nda oleku energia, ħ = h/2π; - Planck on konstantne.
Igale elektronile mõnes füüsikalises süsteemis (näiteks aatomis või molekulis) vastab tema olek, s.t. oma energia ja sellel energial on diskreetne väärtus.
Joonisel fig. Joonisel 7.1 on kujutatud sellise füüsikalise süsteemi energiatasemete diagramm (aatomi näitel). Pöördume selle süsteemi kahe tasandi poole – 1 ja 2. Tase 1 vastab füüsilise süsteemi põhiseisundile, kus seda kõige tõenäolisemalt leidub. Süsteem (elektron aatomis) võib jõuda tasemele 2, kui mingi energia on võrdne hv = | E 2 - E 1 |.
See aatomi 2. tase on ergastatud olek. Kui süsteem (aatom) on aja t 0 ajal olekus 2, siis on piiratud tõenäosus, et ta läheb olekusse 1, kiirgades elektromagnetilise energia kvanti hv = E 2 - E 1. Seda protsessi, mis toimub ajas juhuslikult (kaootiliselt) ilma välise välja mõjuta, nimetatakse spontaanne.
Keskmine aatomite arv, mis läbivad ühe sekundi jooksul spontaanse ülemineku olekust 2 olekusse 1
DN 2 / dt = A 2 1 * N 2 = N 2 / (t cn) 2 1
kus A 21 on spontaanse ülemineku kiirus (tõenäosus), (t cn) 21 = A 21 - 1 nimetatakse aatomi elueaks ergastatud olekus, mis on seotud üleminekuga 2→1. Spontaansed üleminekud toimuvad mis tahes olekust ainult madalama energiaga olekutesse (näiteks kui aatom on olekus 3, siis on võimalikud otsesed üleminekud 3 → 2, 3 → 1 ja aatom, mis jõuab 2. tasemele, liigub spontaanselt tasemele 1).
Elektromagnetvälja olemasolul, mille sagedus on v ~ (E 2 - E 1) / h, võib aatom teha ülemineku olekust 1 olekusse 2, neelates samal ajal elektromagnetvälja kvanti (footoni) energiaga hv. Kui aga aatom on elektromagnetväljaga kokkupuute hetkel juba olekus 2, siis võib ta selle välja mõjul minna olekusse 1 kvanti emissiooniga energiaga hv. See üleminek vastab indutseeritud kiirgust.
Indutseeritud ülemineku protsess erineb spontaansest selle poolest, et indutseeritud ülemineku korral on üleminekute kiirused 2 → 1 ja 1 → 2 võrdsed, samas kui spontaanse protsessi puhul on ülemineku kiirus 1 → 2, mille energia aatom suureneb, on null.
Lisaks on indutseeritud protsessidel ka teisi põhiomadusi:
- indutseeritud protsesside kiirus on võrdeline elektromagnetvälja intensiivsusega, samas kui spontaansed protsessid ei sõltu väljast;
- lainevektor k", mis määrab indutseeritud kiirguse levimissuuna, langeb suunaga kokku vastava tõukevälja vektoriga (spontaansel kiirgusel on suvaline levimissuund);
- stimuleeritud emissiooni sagedus, faas ja polarisatsioon langevad kokku ka juhtimisvälja sageduse, faasi ja polarisatsiooniga, samas kui spontaansel emissioonil, isegi sama sagedusega, on suvaline juhuslik faas ja polarisatsioon.
Vaatleme juhtumit, kui tasapinnaline monokromaatiline laine sagedusega v ja intensiivsusega I v levib läbi keskkonna, mille ruumalatihedus on N 2 tasemel 2 ja N 1 tasemel 1.
Kui tutvustame monokromaatilise välja sagedusega v indutseeritud üleminekute kiirust, tähistades seda W i (v), siis saame hinnata indutseeritud kiirguse tingimusi.
1 sekundi jooksul 1 m 3 mahus toimuvad N 2 Wi indutseeritud üleminekud tasemelt 2 tasemele 1 ja N 1 Wi üleminekud tasemelt 1 tasemele 2. Seega kogu võimsus, mis on toodetud ruumalaühikus
Riis. 1. a - iseeneslik footoni emissioon; b - stimuleeritud emissioon; c - resonantsneeldumine; E1 ja E2 on aatomi energiatasemed.
Aatom ergastatud olekus A, võib teatud aja möödudes spontaanselt, ilma igasuguste välismõjudeta minna madalama energiaga olekusse (meie puhul põhilisse), eraldades elektromagnetkiirguse kujul üleliigset energiat (väljastades footoni koos energiat h = E 2 –E 1). Ergastatud aatomi (ergastatud mikrosüsteemi) footoni emissiooni protsessi ilma väliste mõjudeta nimetatakse spontaanne(või spontaanne) kiirgust. Mida suurem on spontaansete üleminekute tõenäosus, seda lühem on aatomi keskmine eluiga ergastatud olekus. Kuna spontaansed üleminekud ei ole omavahel seotud, on spontaanne emissioon ebajärjekindel.
1916. aastal oletas A. Einstein, et selgitada eksperimentaalselt vaadeldud termodünaamilist tasakaalu mateeria ja selle poolt kiiratava ja neelduva kiirguse vahel, et lisaks neeldumisele ja spontaansele emissioonile peaks eksisteerima ka kolmas, kvalitatiivselt erinevat tüüpi interaktsioon. Kui ergastatud olekus aatomil 2 , väline kiirgus toimib sagedusega, mis rahuldab tingimust hv= E 2 – E 1 , siis see tekib sunnitud (indutseeritud) üleminek põhiolekusse 1 sama energiaga footoni emissiooniga hv= E 2 – E 1 (joonis 309, c). Sellise ülemineku käigus tekib aatomist kiirgus lisaks veel footon footonile, mille mõjul üleminek toimus. Sellistest üleminekutest tekkivat kiirgust nimetatakse sunnitud (indutseeritud) kiirgus. Seega osalevad stimuleeritud emissiooni protsessis kaks footonit: esmane footon, mis paneb ergastatud aatomi kiirgama kiirgust, ja sekundaarne footon, mille aatom kiirgab. On oluline, et sekundaarsed footonid eristamatu esmastest, olemisest nende täpne koopia.
7 Laseri tööpõhimõte
Laser seade, mis muundab pumba energia (valgus-, elektri-, soojus-, keemilise jne) koherentse, monokromaatilise, polariseeritud ja väga sihitud kiirgusvoo energiaks.
Laseri töö füüsikaline alus on sunnitud (indutseeritud) kiirguse kvantmehaaniline nähtus. Laserikiir võib olla pidev, konstantse amplituudiga või impulss, saavutades äärmiselt kõrge tippvõimsuse. Mõnes skeemis kasutatakse laseri tööelementi optilise võimendina teisest allikast pärineva kiirguse jaoks. On olemas suur hulk laseritüüpe, mis kasutavad töökeskkonnana kõiki aine agregaatolekuid.
Laseri töö füüsiline alus on sunnitud (indutseeritud) kiirguse nähtus. Nähtuse olemus seisneb selles, et ergastatud aatom on võimeline kiirgama footoni teise footoni mõjul ilma selle neeldumiseta, kui viimase energia on võrdne aatomi tasemete energiate erinevusega enne ja pärast fotonit. kiirgust. Sel juhul on emiteeritud footon koherentne kiirguse põhjustanud footoniga (see on selle "täpne koopia"). Nii võimendatakse valgust. See nähtus erineb spontaansest emissioonist, mille puhul emiteeritud footonitel on juhuslik levimissuund, polarisatsioon ja faas.Tõenäosus, et juhuslik footon põhjustab ergastatud aatomi stimuleeritud emissiooni, on täpselt võrdne selle footoni neeldumise tõenäosusega aatom ergastamata olekus. Seetõttu on valguse võimendamiseks vajalik, et ergastatud aatomeid oleks keskkonnas rohkem kui ergastamata (nn populatsiooni inversioon). Termodünaamilise tasakaalu seisundis ei ole see tingimus täidetud, seetõttu kasutatakse laseraktiivse keskkonna pumpamiseks erinevaid süsteeme ( optiline, elektriline, keemiline ja jne).
Esmane tekkeallikas on iseenesliku emissiooni protsess, mistõttu on footonite põlvkondade järjepidevuse tagamiseks vajalik positiivse tagasiside olemasolu, mille tõttu eralduvad footonid põhjustavad järgnevaid indutseeritud emissioone. Selleks asetatakse laseraktiivne meedium optilisse õõnsusse. Lihtsamal juhul koosneb see kahest peeglist, millest üks on poolläbipaistev – läbi selle väljub laserkiir osaliselt resonaatorist. Peeglitelt peegeldudes läbib kiirguskiir korduvalt resonaatorit, põhjustades selles indutseeritud üleminekuid. Kiirgus võib olla pidev või impulss. Samal ajal kasutades erinevaid seadmeid (pöörlev prismad, Kerri rakud jne) tagasiside kiireks välja- ja sisselülitamiseks ning seeläbi impulsside perioodi vähendamiseks on võimalik luua tingimused väga suure võimsusega kiirguse tekitamiseks (nn. hiiglaslikud kaunviljad). Seda laseri töörežiimi nimetatakse moduleeritud režiimiks. kvaliteeditegur.
Laseri tekitatud kiirgus on monokromaatiline (üks või diskreetne kogum lainepikkused), kuna spektrijoone laienemisega seotud teatud lainepikkusega footoni emissiooni tõenäosus on suurem kui lähedal asuva footoni oma ja vastavalt sellele on ka sellel sagedusel indutseeritud üleminekute tõenäosus maksimaalne. Seetõttu domineerivad genereerimisprotsessi käigus järk-järgult teatud lainepikkusega footonid kõigi teiste footonite üle. Lisaks jäävad peeglite erilise paigutuse tõttu laserkiiresse ainult need footonid, mis levivad resonaatori optilise teljega paralleelses suunas sellest väikesel kaugusel, ülejäänud footonid lahkuvad kiiresti resonaatori ruumalast. Seega on laserkiirel väga väike lahknemisnurk ] . Lõpuks on laserkiirel rangelt määratletud polarisatsioon. Selleks sisestatakse resonaatorisse erinevad polaroidid, näiteks võivad need toimida lamedate klaasplaatidena, mis on paigaldatud laserkiire levimissuuna suhtes Brewsteri nurga all.
§ 6 Imendumine.
Spontaanne ja stimuleeritud emissioon
Normaaltingimustes (välismõjude puudumisel) on enamik aatomites olevaid elektrone madalaimal ergastamata tasemel E 1, st. aatomil on minimaalne siseenergia reserv, ülejäänud tasemed E 2 , E 3 ....E
n, mis vastavad ergastatud olekutele, omavad minimaalset elektronide populatsiooni või on täiesti vabad. Kui aatom on põhiolekus koos E 1, siis välise kiirguse mõjul võib tekkida sunnitud üleminek ergastatud olekusse E 2. Selliste üleminekute tõenäosus on võrdeline neid üleminekuid põhjustava kiirguse tihedusega.
Aatom, olles ergastatud olekus 2, võib mõne aja möödudes spontaanselt (ilma välismõjudeta) üle minna madalama energiaga olekusse, andes elektromagnetkiirguse näol välja liigse energia, s.t. kiirgab footoni.
Nimetatakse ergastatud aatomi footoni emissiooni protsessi ilma välise mõjuta spontaanne (iseeneslik) kiirgus. Mida suurem on spontaansete üleminekute tõenäosus, seda lühem on aatomi keskmine eluiga ergastatud olekus. Sest spontaansed üleminekud ei ole siis omavahel seotud spontaanne emissioon ei ole koherentne.
Kui ergastatud olekus 2 aatom puutub kokku rahuldava sagedusega välise kiirgusegahn = E 2 - E 1, siis toimub sunnitud (indutseeritud) üleminek põhiolekusse 1 sama energiaga footoni emissioonigahn = E 2 - E 1 . Sellise ülemineku käigus tekib aatomist kiirgus lisaks footonile, mille mõjul üleminek toimus. Välisest kokkupuutest tulenevat kiirgust nimetatakse sunnitud. Seega sisse protsessi stimuleeritud emissioon kaasatud on kaks footoni: primaarne footon, mis põhjustab ergastatud aatomi kiirgust, ja sekundaarne footon, mille aatom kiirgab. Sekundaarsed footonid eristamatu esmastest.
Einstein ja Dirac tõestasid stimuleeritud kiirguse samasust juhtiva kiirgusega: neil on sama faas, sagedus, polarisatsioon ja levimise suund.Þ Stimuleeritud emissioon rangelt sidusad sundkiirgusega.
Emiteeritud footonid, liikudes ühes suunas ja kohtudes teiste ergastatud aatomitega, stimuleerivad edasisi indutseeritud üleminekuid ning footonite arv kasvab nagu laviin. Kuid koos stimuleeritud emissiooniga toimub ka neeldumine. Seetõttu on langeva kiirguse võimendamiseks vajalik, et stimuleeritud emissioonis olevate footonite arv (mis on võrdeline ergastatud olekute populatsiooniga) ületaks neeldunud footonite arvu. Süsteemis on aatomid termodünaamilises tasakaalus, neeldumine domineerib stimuleeritud emissiooni suhtes, st. langev kiirgus nõrgeneb aine läbimisel.
Selleks, et keskkond võimendaks sellele langevat kiirgust, on vaja luua süsteemi mittetasakaalu olek, milles ergastatud olekus on aatomite arv suurem kui põhiolekus. Selliseid olekuid nimetatakse osariigid koos rahvastiku inversioon. Aine mittetasakaalulise oleku loomise protsessi nimetatakse pumbatud. Pumpamist saab teha optiliste, elektriliste ja muude meetoditega.
Inverteeritud populatsiooniga keskkondades võib stimuleeritud emissioon ületada neeldumist, s.t. langev kiirgus võimendub keskkonda läbides (neid keskkondi nimetatakse aktiivseteks). Nendele meediatele Bougueri seadusesI = I 0 e - ax , neeldumistegur a - negatiivne.
§ 7. Laserid – optilised kvantgeneraatorid
60ndate alguses loodi optilise ulatuse kvantgeneraator - laser " Valguse võimendamine stimuleeritud kiirgusemissiooniga ” - valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse emissiooniga. Laserkiirguse omadused: kõrge monokromaatilisus (ülikõrge valgussagedus), terav ruumiline suund, tohutu spektraalne heledus.
Kvantmehaanika seaduste kohaselt ei ole elektroni energia aatomis meelevaldne: sellel võib olla ainult teatud (diskreetne) väärtuste jada E 1, E 2, E 3 ... E n, helistas energiatasemed. Need väärtused on erinevate aatomite puhul erinevad. Lubatud energiaväärtuste kogumit nimetatakse energia spekter aatom. Tavatingimustes (välismõjude puudumisel) on enamik aatomites olevaid elektrone madalaimal ergastustasemel E 1, s.o. aatomil on minimaalne siseenergia reserv; muud tasemed E 2, E 3 .....E n vastavad aatomi kõrgemale energiale ja neid nimetatakse erutatud.
Kui elektron liigub ühelt energiatasemelt teisele, võib aatom kiirata või neelata elektromagnetlaineid, mille sagedus n m n = (E m - E n) h,
kus h - Plancki konstant ( h = 6,62 · 10-34 J s);
E n - lõplik, E m - Esimene tase.
Ergastatud aatom võib osa oma välisest allikast saadud või elektronide soojusliikumise tulemusena omandatud liigsest energiast loobuda kahel erineval viisil.
Aatomi mis tahes ergastatud olek on ebastabiilne ja alati on võimalus selle spontaanseks üleminekuks madalama energiaga olekusse elektromagnetilise kiirguse kvantide emissiooniga. Seda üleminekut nimetatakse spontaanne(spontaanne). See on ebaregulaarne ja kaootiline. Kõik tavapärased allikad toodavad valgust spontaanse emissiooni teel.
See on esimene emissioonimehhanism (elektromagnetkiirgus). Kaalutud kahetasandiline skeem valguse emissiooniga ei ole võimalik saavutada kiirguse võimendust. Imendunud energia h n vabaneb sama energiaga kvantina h n ja saame rääkida termodünaamiline tasakaal: aatomite ergastusprotsesse gaasis tasakaalustavad alati emissiooni pöördprotsessid.
§2 Kolmetasandiline skeem
Termodünaamilises tasakaalus oleva aine aatomites sisaldab iga järgnev ergastatud tase vähem elektrone kui eelmine. Kui süsteem puutub kokku põneva kiirgusega sagedusega, mis resoneerub üleminekuga 1. ja 3. taseme vahel (skemaatiliselt 1→ 3), siis aatomid neelavad selle kiirguse ja liiguvad tasemelt 1 tasemele 3. Kui kiirguse intensiivsus on piisavalt kõrge, siis 3. tasemele liikuvate aatomite arv võib olla väga märkimisväärne ja meie tasakaalujaotust häirides tasemete populatsioonidest, suurendab 3. taseme populatsiooni ja vähendab seega 1. taseme populatsiooni.
Ülemisest kolmandast tasemest on võimalikud 3 üleminekud→ 1 ja 3 → 2. Selgus, et üleminek 3→ 1 toob kaasa energia emissiooni E 3 -E 1 = h n 3-1 ja üleminek 3 → 2 ei ole kiirgav: see viib kesktaseme 2 populatsiooni "ülevalt" (osa elektronide energiast selle ülemineku ajal antakse ainele, kuumutades seda). Seda teist taset nimetatakse metastabiilne, ja lõpuks on sellel rohkem aatomeid kui esimesel. Kuna aatomid sisenevad tasemele 2 põhitasemelt 1 kuni ülemise oleku 3 kaudu ja naasevad põhitasemele "suure viivitusega", on 1. tase "tühjendanud".
Selle tulemusena tekib ümberpööramine, need. Tasapopulatsioonide pöördvõrdeline pöördjaotus. Populatsiooni energiatasemete inversiooni tekitab intensiivne abikiirgus nn pumba kiirgus ja viib lõpuks selleni indutseeritud(sunnitud) footonite paljundamine pöördkeskkonnas.
Nagu iga generaatori puhul, on laseris laserrežiimi saamiseks vajalik Tagasiside. Laseri puhul realiseeritakse tagasiside peeglite abil. Võimendav (aktiivne) keskkond asetatakse kahe peegli vahele - tasane või sagedamini nõgus. Üks peegel on tahke, teine osaliselt läbipaistev.
Genereerimisprotsessi "seeme" on footoni spontaanne emissioon. Selle footoni liikumise tulemusena keskkonnas tekitab see samas suunas lendavate footonite laviini. Läbipaistva peeglini jõudes peegeldub laviin osaliselt ja läbib peegli osaliselt väljapoole. Pärast paremast peeglist peegeldumist läheb laine tagasi, jätkates intensiivistumist. Olles distantsi läbinudl, jõuab see vasaku peeglini, peegeldub ja tormab jälle parema peegli juurde.
Sellised tingimused luuakse ainult aksiaalsete lainete jaoks. Teiste suundade kvantid ei suuda aktiivsesse keskkonda salvestatud energiast märgatavat osa ära võtta.
Laserist väljuval lainel on peaaegu tasane esiosa ning kõrge ruumiline ja ajaline koherentsus kogu kiire ristlõikes.
Laserites kasutatakse aktiivse keskkonnana erinevaid gaase ja gaasisegusid ( gaasilaserid), teatud ioonide lisanditega kristallid ja klaasid ( tahkislaserid), pooljuhid ( pooljuhtlaserid).
Ergastusmeetodid (pumbasüsteemis) sõltuvad aktiivse keskkonna tüübist. See on meetod ergastusenergia ülekandmiseks gaaslahendusplasma osakeste kokkupõrke tagajärjel (gaaslaserid) või energia ülekandmiseks, kiiritades aktiivseid keskusi spetsiaalsetest allikatest pärineva ebaühtlase valgusega (optiline pumpamine tahkislaserites) või mittetasakaaluliste kandjate süstimine läbi p- n - üleminek, kas ergastamine elektronkiire abil või optiline pumpamine (pooljuhtlaserid).
Praeguseks on loodud äärmiselt suur hulk erinevaid lasereid, mis toodavad kiirgust laias lainepikkuste vahemikus (200¸ 2,10 4 nm). Laserid töötavad väga lühikese valgusimpulsi kestusega t" 1·10 -12 s, võib tekitada ka pidevat kiirgust. Laserkiirguse energiavoo tihedus on suurusjärgus 10 10 W/cm 2 (Päikese intensiivsus on vaid 7·10 3 W/cm 2).
Ergastatud süsteemi (aatomi, molekuli) üleminek ülemistelt energiatasemetelt madalamatele võib toimuda kas spontaanselt või indutseeritult.
Spontaanne on spontaanne (iseseisev) üleminek, mille põhjustavad ainult süsteemi sees toimivad ja sellele iseloomulikud tegurid. Need tegurid määravad keskmise aja, mille jooksul süsteem ergastatud olekus püsib; vastavalt Heisenbergi suhtele (vt § 11),
Teoreetiliselt võivad sellel ajal olla erinevad väärtused:
st see sõltub süsteemi omadustest - ergastatud oleku energiaväärtuste levikust (ergastatud olekus veedetud aja keskmist väärtust võetakse tavaliselt süsteemi tunnusena, olenevalt keskmisest väärtusest. Üks peaks arvestama ka mõju ümbritseva ruumi süsteemile ("füüsiline vaakum"), milles isegi elektromagnetlainete puudumisel on kvantteooria järgi kõikuv väli ("vaakumi fluktuatsioonid"); see väli võib stimuleerida ärganud süsteemi üleminekut madalamatele tasemetele ja see tuleks lisada spontaanseid üleminekuid põhjustavate taandamatute tegurite hulka.
Indutseeritud on sunnitud (stimuleeritud) üleminek energeetiliselt madalamasse olekusse, mis on põhjustatud mõnest välismõjust ergastatud süsteemile: termilised kokkupõrked, vastastikmõju naaberosakestega või süsteemi läbiv elektromagnetlaine. Kirjanduses on aga kehtestatud kitsam definitsioon: indutseeritud on üleminek, mis on põhjustatud ainult elektromagnetlainest ja sama sagedusega, mida süsteem selle ülemineku ajal kiirgab (teiste sageduste väljad ei resoneeri omavõnkudega süsteem,
seetõttu on nende stimuleeriv toime nõrk). Kuna elektromagnetvälja “kandjaks” on footon, siis sellest definitsioonist järeldub, et indutseeritud kiirguse ajal stimuleerib väline footon uue sama sagedusega (energiaga) footoni sündi.
Vaatleme ühe lihtsa idealiseeritud näite abil spontaansete ja indutseeritud üleminekute kõige olulisemaid tunnuseid. Oletame, et peegelseintega ruumalas V on identsed süsteemid (aatomid, molekulid), millest osa neist kantakse algsel fikseeritud ajahetkel ergastatud olekusse energiaga, mille energia kogu liigenergia selles mahus olema võrdne. Spontaansetele üleminekutele on iseloomulik järgmine:
1) ergastatud süsteemide normaalolekutesse ülemineku protsess (st üleliigse energia kiirgus pikeneb aja jooksul. Mõned süsteemid jäävad ergastatud olekusse lühiajaliselt; teistel on see aeg pikem. Seetõttu on voo (s.t. kiirguse võimsus) muutub aja jooksul, saavutades maksimumi mõne hetkega ja seejärel väheneb asümptootiliselt nullini. Kiirgusvoo keskmine väärtus on võrdne
2) ajahetk, mil ühe süsteemi kiirgus algab ja selle süsteemi asukoht on kiirguse hetke ja teise asukohaga täiesti mitteseotud, st kiirgavate süsteemide vahel puudub “järjepidevus” (korrelatsioon). kas ruumis või ajas. Spontaansed üleminekud on täiesti juhuslikud protsessid, mis on ajas hajutatud, kogu kandja mahus ja kõigis võimalikes suundades; Erinevate süsteemide polarisatsiooni ja elektromagnetkiirguse tasanditel on tõenäosuslik hajumine, mistõttu emitterid ise ei ole koherentsete lainete allikad.
Indutseeritud üleminekute iseloomustamiseks oletame, et hetkel, mil sisestatakse üks footon, mille energia on täpselt võrdne vaadeldava ruumalaga V. On teatud tõenäosus, et see footon neeldub selles mõne kokkupõrke ajal ergastamata süsteem; seda tõenäosust võetakse allpool arvesse üldisemal juhul (kui vaadeldavate süsteemide interaktsioon footongaasiga toimub mahus V). Eeldame, et footon ei neeldu, peegeldub korduvalt anuma seintelt ja ergastatud süsteemidega kokkupõrkel stimuleerib samade footonite emissiooni, st põhjustab indutseeritud üleminekuid. Kuid iga uus footon, mis nende üleminekute ajal ilmub, ergutab ka indutseeritud üleminekuid. Kuna footonite kiirused on suured ja ruumala V mõõtmed väikesed, kulub väga lühikest aega, enne kui kõik alghetkel esinevad ergastatud süsteemid on sunnitud normaalolekusse üle minema. Järelikult on indutseeritud üleminekutele iseloomulik:
1) liigse energia emiteerimiseks kuluvat aega saab reguleerida ja muuta väga väikeseks, seega võib kiirgusvoog olla väga suur;
2) lisaks on ülemineku põhjustanud footon ja sellel üleminekul tekkinud sama energiaga (sagedusega) footon samas faasis, sama polarisatsiooni ja liikumissuunaga. Seetõttu on stimuleeritud emissiooni tekitatud elektromagnetlained koherentsed.
Kuid mitte iga footoni kokkupõrge ergastatud süsteemiga ei vii selle üleminekuni normaalolekusse, see tähendab, et indutseeritud ülemineku tõenäosus footoni igas süsteemiga "interaktsiooniaktis" ei ole võrdne ühega. Tähistame seda tõenäosust tähisega Eeldame, et antud ajahetkel on footoneid mahus V ja igaüks neist võib keskmiselt ajaühikus kokku põrkuda. Siis on indutseeritud üleminekute arv ajaühikus ja seega ka ruumalas V esinevate footonite arv võrdne
Tähistame ergastatud süsteemide arvu ruumalas V väärtusega Fotonite kokkupõrgete arv ergastatud süsteemidega on võrdeline selliste süsteemide kontsentratsiooniga, st siis saab seda väljendada sõltuvalt:
kus Shind võtab arvesse kõiki muid tegureid peale footonite arvu ja ergastatud süsteemide arvu
Footonite arvu suurenemine mahus V toimub ka spontaanse emissiooni tõttu. Spontaanse ülemineku tõenäosus on ergastatud olekus veedetud keskmise aja pöördprotsent. Seetõttu on spontaansete üleminekute tõttu ajaühikus ilmuvate footonite arv võrdne
Footonite arvu vähenemine mahus V toimub nende neeldumise tõttu ergastamata süsteemides (sel juhul suureneb ergastatud süsteemide arv). Kuna mitte iga footoni “interaktsiooniaktiga” süsteemiga ei kaasne neeldumine, tuleks kasutusele võtta neeldumise tõenäosus.Ühe footoni kokkupõrgete arv ajaühikus ergastamata süsteemidega on võrdeline selliste süsteemide arvuga; seetõttu võime footonite kadumise kohta analoogia põhjal (2.83) kirjutada:
Leiame erinevuse footonite emissiooni ja neeldumise protsesside intensiivsuse vahel, st süsteemide ülemineku protsessid kõrgematelt tasemetelt madalamatele ja vastupidi:
Olenevalt väärtusest võivad vaadeldavas mahus esineda järgmised muutused;
1) kui siis selles mahus toimub järkjärguline footongaasi tiheduse vähenemine, st kiirgusenergia neeldumine. Selle vajalik tingimus on ergastatud süsteemide madal kontsentratsioon: Lvozb
2) kui siis tekib süsteemis tasakaaluseisund teatud kindla ergastatud süsteemide kontsentratsiooni ja kiirgusenergia tiheduse juures;
3) kui (mis on võimalik suurte väärtuste korral), siis vaadeldavas mahus toimub footongaasi tiheduse (kiirgusenergia) suurenemine.
On ilmne, et kiirgusenergia vähenemine või suurenemine ei toimu mitte ainult isoleeritud peegelduvate seintega mahus, vaid ka juhul, kui monokromaatilise kiirgusenergia voog (sagedusega footonite voog levib ergastatud keskkonnas liigse energiaga osakesed
Leiame footonite arvu suhtelise muutuse footoni ja süsteemi kohta; kasutades (2,86), (2,83), (2,84) ja (2,85), saame
Pange tähele, et tasakaaluseisundis (mis on võimalik ainult positiivsel temperatuuril vastavalt §-s 12 toodud valemile (2.42) on suhe võrdne
Statistiline summa nimetajas koosneb sel juhul ainult kahest liikmest, mis vastavad: 1) energiaga normaalolekus süsteemidele ja 2) energiaga ergastatud süsteemidele.Sellest valemist järeldub, et lõpmata suurel positiivsel temperatuuril See tähendab, et temperatuuri tõstmisega on võimatu saavutada seisundit, milles ergastatud süsteemide arv oleks suurem kui ergastamata süsteemide arv. oli suurem kui Mneexc, st on vajalik, et madalamatele tasemetele üleminekul ilmuvate footonite arv oleks suurem kui sama aja jooksul neeldunud footonite arv). Eespool oli öeldud, et sellist seisundit ei saa temperatuuri tõstmisega saavutada. Seetõttu tuleb seda läbivat kiirgusvoogu suurendava keskkonna saamiseks kasutada aatomite ja molekulide ergastamiseks muid (mittetemperatuurilisi) meetodeid.
Saab näidata, et rohkem (st N) saab olla ainult negatiivsel temperatuuril, s.t vaadeldava keskkonna mittetasakaalulises olekus. Kui lisaks on see mittetasakaalu olek metastabiilne (vt II osa, § 3), siis on sobiva välismõju abil võimalik tekitada järsk üleminek tasakaaluolekusse, vabastades liigse energia väga lühikese aja jooksul. See idee on laserite töö aluseks.
Inversiooniks nimetatakse keskkonna seisundit, milles ülemistel energiatasemetel on madalamatega võrreldes suuremad täitetegurid. Kuna selles olekus keskkond ei nõrgene nagu tavaliselt, vaid suurendab seda läbivat kiirgust, siis keskkonnas kiirgusvoo intensiivsuse muutmise valemis
koefitsient on negatiivne väärtus (seega on astendaja positiivne väärtus). Seda silmas pidades nimetatakse inversiooniseisundis keskkonda negatiivse neeldumisindeksiga keskkonnaks. Selliste kandjate saamise võimaluse, nende omadused ja kasutamise optilise kiirguse võimendamiseks kehtestasid ja arendasid välja V. A. Fabrikant ja tema kolleegid (1939-1951).