Tahap tenaga terendah atom sepadan dengan orbit jejari terkecil. Dalam keadaan normalnya, elektron berada dalam orbit ini. Apabila sebahagian tenaga diberikan, elektron bergerak ke tahap tenaga lain, i.e. "melompat" ke salah satu orbit luar. Dalam keadaan teruja ini, atom tidak stabil. Selepas beberapa lama, elektron bergerak ke tahap yang lebih rendah, i.e. ke orbit yang lebih kecil jejarinya. Peralihan elektron dari orbit yang jauh ke yang dekat disertai dengan pancaran kuantum cahaya. Cahaya ialah aliran zarah khas yang dipancarkan oleh atom - foton, atau kuanta sinaran elektromagnet. Mereka harus dianggap sebagai segmen gelombang, dan bukan sebagai zarah jirim. Setiap foton membawa bahagian tenaga yang ditakrifkan dengan ketat "dilepaskan" oleh atom.
Dalam keadaan dasar, atom berada pada tahap tenaga pertama dengan tenaga paling rendah. Untuk memindahkan atom ke tahap 2, ia perlu diberi tenaga hν=∆E=E2-E1. Atau mereka mengatakan bahawa adalah perlu bagi atom untuk berinteraksi dengan satu kuantum tenaga. Peralihan terbalik 2 elektron boleh berlaku secara spontan, hanya dalam satu arah. Bersama-sama dengan peralihan ini, peralihan paksa di bawah pengaruh sinaran luar juga mungkin. Peralihan 1à2 sentiasa dipaksa. Atom yang mendapati dirinya dalam keadaan 2 tinggal di dalamnya selama 10 (s.-8) s, selepas itu atom secara spontan kembali ke keadaan asalnya. Bersama peralihan 2à1 spontan, peralihan paksa mungkin berlaku, di mana kuantum tenaga yang menyebabkan peralihan ini dipancarkan. Sinaran tambahan ini dipanggil paksa atau teraruh. Itu. Di bawah pengaruh sinaran luar, 2 peralihan adalah mungkin: pelepasan dirangsang dan penyerapan dirangsang, dan kedua-dua proses berkemungkinan sama. Kuantum tambahan yang dipancarkan semasa pelepasan dirangsang membawa kepada penguatan cahaya. Sinaran teraruh mempunyai sifat berikut: 1) pemanasan kuantum teraruh bertepatan dengan voltan kuantum teraruh, 2) fasa, polarisasi, kekerapan sinaran teraruh bertepatan dengan fasa, polarisasi dan kekerapan sinaran teraruh, i.e. sinaran teraruh dan teraruh adalah sangat koheren, 3) dengan setiap peralihan teraruh terdapat keuntungan 1 kuantum tenaga, i.e. penguatan cahaya. j
TIKET 8
Ciri subjektif persepsi bunyi, hubungan mereka dengan ciri objektif bunyi.
Ciri-ciri bunyi subjektif
Dalam kesedaran manusia, di bawah pengaruh impuls saraf yang datang dari organ penerima bunyi, sensasi pendengaran terbentuk, yang subjek boleh mencirikan dengan cara tertentu.
Terdapat tiga ciri subjektif bunyi berdasarkan sensasi yang ditimbulkan oleh bunyi tertentu dalam subjek: pic, timbre, dan kenyaringan.
Konsep ketinggian digunakan oleh subjek untuk menilai bunyi frekuensi yang berbeza: semakin tinggi frekuensi bunyi, semakin tinggi bunyi yang diberikan dipanggil. Walau bagaimanapun, tiada korespondensi satu dengan satu antara kekerapan bunyi dan picnya. Persepsi pic bunyi dipengaruhi oleh keamatannya. Daripada dua bunyi dengan frekuensi yang sama, bunyi dengan keamatan yang lebih tinggi dianggap lebih rendah.
Timbre bunyi ialah ciri kualitatif bunyi (sejenis "pewarnaan" bunyi) yang dikaitkan dengan komposisi spektrumnya. Suara orang yang berbeza berbeza antara satu sama lain. Perbezaan ini ditentukan oleh komposisi spektrum bunyi yang berbeza yang dihasilkan oleh orang yang berbeza. Terdapat nama khas untuk suara timbre yang berbeza: bes, tenor, soprano, dll. Atas sebab yang sama, orang membezakan nota yang sama yang dimainkan pada alat muzik yang berbeza: instrumen yang berbeza mempunyai komposisi spektrum bunyi yang berbeza.
Kenyaringan ialah ciri subjektif bunyi yang menentukan tahap sensasi pendengaran: semakin tinggi tahap sensasi pendengaran yang dialami subjek, semakin kuat subjek memanggil bunyi.
Magnitud sensasi pendengaran (kenyaringan) bergantung kepada keamatan bunyi dan kepekaan sistem pendengaran subjek. Semakin tinggi keamatan bunyi, semakin tinggi magnitud sensasi pendengaran (kenyaringan), semua perkara lain adalah sama.
Sistem pendengaran manusia mampu menangkap bunyi, keamatannya berbeza-beza dalam julat yang sangat luas. Untuk sensasi pendengaran berlaku, keamatan bunyi mesti melebihi nilai tertentu / 0. Nilai minimum keamatan bunyi / 0 yang dirasakan oleh alat bantu pendengaran subjek dipanggil keamatan ambang, atau ambang kebolehdengaran. Ambang pendengaran mempunyai nilai yang berbeza untuk orang yang berbeza dan berubah apabila kekerapan bunyi berubah. Secara purata, bagi orang yang mempunyai pendengaran normal pada frekuensi 1-3 kHz, ambang pendengaran Io diambil sebagai 10" 12 W/m".
Sebaliknya, apabila keamatan bunyi melebihi had tertentu dalam organ pendengaran, bukannya sensasi pendengaran, sensasi kesakitan berlaku.
Nilai maksimum keamatan bunyi I Maxi yang masih dirasakan oleh subjek sebagai sensasi bunyi dipanggil ambang kesakitan. Nilai ambang kesakitan adalah lebih kurang 10 W/m." Ambang pendengaran 1 0 dan ambang sakit 1 maks menentukan julat keamatan bunyi yang mencipta sensasi pendengaran dalam subjek.
Gambar rajah blok peranti diagnostik elektronik. Sensor haba, peranti dan prinsip operasi. Kepekaan sensor terma.
Spektroskop. Reka bentuk optik dan prinsip operasi spektroskop.
TIKET 9
Undang-undang Weber-Fechner. Kelantangan bunyi, unit kenyaringan.
Kepekaan sistem pendengaran manusia pula bergantung kepada keamatan bunyi dan kekerapannya. Kebergantungan kepekaan pada keamatan adalah harta bersama semua organ deria dan dipanggil penyesuaian. Kepekaan deria kepada rangsangan luar secara automatik berkurangan dengan peningkatan intensiti rangsangan. Hubungan kuantitatif antara sensitiviti organ dan keamatan rangsangan dinyatakan oleh undang-undang Weber-Fechner empirikal: apabila membandingkan dua rangsangan, peningkatan kekuatan sensasi adalah berkadar dengan logaritma nisbah keamatan rangsangan.
Secara matematik, hubungan ini dinyatakan oleh hubungan
∆E = E 2 -E 1 , = k*lgI 2 /I 1
di mana I 2 dan I 1 ialah keamatan rangsangan,
E 2 dan E 1 - kekuatan sensasi yang sepadan,
k ialah pekali yang bergantung kepada pilihan unit untuk mengukur keamatan dan kekuatan sensasi.
Selaras dengan undang-undang Weber-Fechner, apabila intensiti bunyi meningkat, magnitud sensasi pendengaran (kenyaringan) juga meningkat; bagaimanapun, disebabkan penurunan kepekaan, magnitud sensasi pendengaran meningkat ke tahap yang lebih rendah daripada keamatan bunyi. Magnitud sensasi pendengaran meningkat dengan peningkatan keamatan bunyi mengikut kadar logaritma keamatan.
Menggunakan undang-undang Weber-Fechner dan konsep keamatan ambang, anggaran kuantitatif kenyaringan boleh diperkenalkan. Mari kita masukkan formula (4) keamatan rangsangan pertama (bunyi) sama dengan ambang (I 1 =I 0), maka E 1 akan sama dengan sifar. Dengan meninggalkan indeks “2”, kita dapat E = k*lgI/I 0
Magnitud sensasi pendengaran (kenyaringan) E adalah berkadar dengan logaritma nisbah keamatan bunyi yang mencipta magnitud sensasi ini kepada keamatan ambang I 0. Menetapkan pekali perkadaran kepada sama dengan satu, kita memperoleh magnitud daripada sensasi pendengaran E dalam unit yang dipanggil "bel".
Oleh itu, magnitud sensasi pendengaran (kenyaringan) ditentukan oleh formula
E = logI/I 0 [B].
Bersama-sama dengan bel, satu unit 10 kali lebih kecil, dipanggil "decibel," digunakan. Isipadu bunyi dalam desibel ditentukan oleh formula
E = 10lgI/I 0 [DB].
Gambar rajah blok peranti diagnostik elektronik. Tujuan dan ciri utama penguat. Jenis-jenis herotan. Keuntungan penguat, pergantungannya pada parameter litar.
Penghantaran dan ketumpatan optik penyelesaian, pergantungan mereka pada kepekatan.
Nota: r" dan k" ialah vektor r dan k masing-masing.
Salah satu kesimpulan utama mekanik kuantum menyatakan bahawa setiap sistem fizikal (contohnya, elektron dalam atom) hanya boleh berada dalam salah satu keadaan tenaga yang diberikan, apa yang dipanggil eigenstates sistem. Setiap keadaan (katakan, keadaan elektron) boleh dikaitkan dengan fungsi eigen
Ψ (r" , t) = U n * (r") * e -iEnt/ħ
dan | Un (r") | 2 dxdydz - kebarangkalian mencari elektron dalam keadaan tertentu n dalam isipadu asas dxdydz dengan pusat pada titik yang ditentukan oleh vektor jejari r", E n - tenaga keadaan ke-n, ħ = h/2π; - Pemalar Planck.
Setiap elektron dalam beberapa sistem fizikal (contohnya, dalam atom atau molekul) sepadan dengan keadaannya sendiri, i.e. tenaganya sendiri, dan tenaga ini mempunyai nilai diskret.
Dalam Rajah. Rajah 7.1 menunjukkan rajah aras tenaga bagi sistem fizikal tersebut (menggunakan contoh atom). Mari kita beralih kepada dua peringkat sistem ini - 1 dan 2. Tahap 1 sepadan dengan keadaan asas sistem fizikal, di mana ia berkemungkinan besar dijumpai. Sistem (elektron dalam atom) boleh sampai ke tahap 2 jika beberapa tenaga bersamaan dengan hv = | E 2 - E 1 |.
Tahap 2 atom ini ialah keadaan teruja. Jika sistem (atom) berada dalam keadaan 2 semasa masa t 0, maka terdapat kebarangkalian terhingga bahawa ia akan masuk ke keadaan 1, memancarkan kuantum tenaga elektromagnet hv = E 2 - E 1. Proses ini, yang berlaku secara rawak dalam masa (secara huru-hara) tanpa pengaruh medan luaran, dipanggil secara spontan.
Purata bilangan atom yang mengalami peralihan spontan daripada keadaan 2 kepada keadaan 1 dalam satu saat
DN 2 / dt = A 2 1 * N 2 = N 2 / (t cn) 2 1
di mana A 21 ialah kadar (kebarangkalian) peralihan spontan, (t cn) 21 = A 21 - 1 dipanggil jangka hayat atom dalam keadaan teruja yang dikaitkan dengan peralihan 2→1. Peralihan spontan berlaku dari mana-mana keadaan tertentu sahaja kepada keadaan yang lebih rendah tenaga (contohnya, jika atom berada dalam keadaan 3, maka peralihan langsung 3→2, 3→1 adalah mungkin, dan atom yang berakhir di tahap 2 bergerak. secara spontan ke tahap 1).
Dengan adanya medan elektromagnet yang mempunyai frekuensi v ~ (E 2 - E 1) / h, atom boleh membuat peralihan dari keadaan 1 ke keadaan 2, menyerap kuantum medan elektromagnet (foton) dengan tenaga hv. Walau bagaimanapun, jika atom sudah berada dalam keadaan 2 pada masa ia terdedah kepada medan elektromagnet, maka ia boleh pergi ke keadaan 1 dengan pancaran kuantum dengan tenaga hv di bawah pengaruh medan ini. Peralihan ini sepadan teraruh sinaran.
Proses peralihan teraruh berbeza daripada peralihan spontan kerana bagi peralihan teraruh kadar peralihan 2→1 dan 1→2 adalah sama, manakala untuk proses spontan kadar peralihan 1→2, di mana tenaga bagi atom bertambah, adalah sifar.
Di samping itu, proses teraruh mempunyai ciri asas lain:
- kelajuan proses teraruh adalah berkadar dengan keamatan medan elektromagnet, manakala proses spontan tidak bergantung pada medan;
- vektor gelombang k", yang menentukan arah perambatan sinaran teraruh, bertepatan dengan arah vektor medan pemanduan yang sepadan (sinaran spontan mempunyai arah perambatan yang sewenang-wenangnya);
- kekerapan, fasa dan polarisasi pelepasan yang dirangsang juga bertepatan dengan kekerapan, fasa dan polarisasi medan pemanduan, manakala pelepasan spontan, walaupun mempunyai frekuensi yang sama, mempunyai fasa rawak dan polarisasi yang sewenang-wenangnya.
Mari kita pertimbangkan kes apabila gelombang monokromatik satah dengan frekuensi v dan intensiti I v merambat melalui medium dengan ketumpatan isipadu atom N 2 pada tahap 2 dan N 1 pada tahap 1.
Jika kita memperkenalkan kadar peralihan yang teraruh oleh medan monokromatik dengan frekuensi v, menandakannya dengan W i (v), maka kita boleh menganggarkan keadaan di mana sinaran teraruh akan wujud.
Dalam 1 s, dalam isipadu 1 m 3, N 2 Wi mendorong peralihan dari tahap 2 ke tahap 1 dan peralihan N 1 Wi dari tahap 1 ke 2 berlaku. Oleh itu, jumlah kuasa yang dijana dalam isipadu unit
nasi. 1. a - pelepasan foton spontan; b - pelepasan dirangsang; c - penyerapan resonans; E1 dan E2 ialah tahap tenaga atom.
Atom dalam keadaan teruja A, boleh, selepas tempoh masa tertentu, secara spontan, tanpa sebarang pengaruh luaran, pergi ke keadaan dengan tenaga yang lebih rendah (dalam kes kami, ke yang utama), mengeluarkan tenaga berlebihan dalam bentuk sinaran elektromagnet (memancarkan foton dengan tenaga h = E 2 –E 1). Proses pelepasan foton oleh atom yang teruja (mikrosistem teruja) tanpa sebarang pengaruh luar dipanggil secara spontan(atau secara spontan) sinaran. Semakin besar kebarangkalian peralihan spontan, semakin pendek jangka hayat purata atom dalam keadaan teruja. Memandangkan peralihan spontan tidak saling berkaitan, pelepasan spontan adalah tidak koheren.
Pada tahun 1916, A. Einstein, untuk menerangkan keseimbangan termodinamik yang diperhatikan secara eksperimen antara jirim dan sinaran yang dipancarkan dan diserap olehnya, menyatakan bahawa sebagai tambahan kepada penyerapan dan pelepasan spontan, perlu ada satu pertiga, jenis interaksi yang berbeza secara kualitatif. Jika pada atom dalam keadaan teruja 2 , sinaran luar bertindak dengan frekuensi yang memenuhi keadaan hv= E 2 – E 1 , maka timbullah peralihan paksa (induced). kepada keadaan tanah 1 dengan pancaran foton dengan tenaga yang sama hv= E 2 – E 1 (Gamb. 309, c). Semasa peralihan sedemikian, sinaran daripada atom berlaku foton, tambahan pula kepada foton di bawah pengaruhnya peralihan berlaku. Sinaran yang terhasil daripada peralihan tersebut dipanggil sinaran paksa (aruh). Oleh itu, dua foton terlibat dalam proses pelepasan rangsangan: foton primer yang menyebabkan atom teruja memancarkan sinaran, dan foton sekunder yang dipancarkan oleh atom. Adalah penting bahawa foton sekunder tidak dapat dibezakan daripada yang utama, menjadi salinan tepat mereka.
7 Prinsip operasi laser
Laser peranti yang menukar tenaga pam (cahaya, elektrik, haba, kimia, dll.) kepada tenaga fluks sinaran yang koheren, monokromatik, terkutub dan sangat disasarkan.
Asas fizikal operasi laser adalah fenomena mekanikal kuantum sinaran paksa (teraruh). Pancaran laser boleh berterusan, dengan amplitud malar, atau berdenyut, mencapai kuasa puncak yang sangat tinggi. Dalam sesetengah skema, elemen kerja laser digunakan sebagai penguat optik untuk sinaran dari sumber lain. Terdapat sejumlah besar jenis laser yang menggunakan semua keadaan agregat jirim sebagai medium kerja.
Asas fizikal operasi laser adalah fenomena sinaran paksa (aruh). Intipati fenomena ini adalah bahawa atom yang teruja mampu memancarkan foton di bawah pengaruh foton lain tanpa penyerapannya, jika tenaga yang terakhir adalah sama dengan perbezaan tenaga tahap atom sebelum dan selepas sinaran. Dalam kes ini, foton yang dipancarkan adalah koheren dengan foton yang menyebabkan sinaran (ia adalah "salinan tepat"). Dengan cara ini cahaya dikuatkan. Fenomena ini berbeza daripada pancaran spontan, di mana foton yang dipancarkan mempunyai arah rambang, polarisasi dan fasa rawak Kebarangkalian bahawa foton rawak akan menyebabkan pancaran terstimulasi bagi atom teruja adalah betul-betul sama dengan kebarangkalian penyerapan foton ini oleh suatu. atom dalam keadaan tidak teruja. Oleh itu, untuk menguatkan cahaya, adalah perlu bahawa terdapat lebih banyak atom teruja dalam medium daripada yang tidak teruja (yang dipanggil penyongsangan populasi). Dalam keadaan keseimbangan termodinamik, keadaan ini tidak dipenuhi, oleh itu pelbagai sistem untuk mengepam medium aktif laser digunakan ( optik, elektrik, kimia dan lain-lain).
Sumber utama penjanaan adalah proses pelepasan spontan, oleh itu, untuk memastikan kesinambungan generasi foton, kewujudan maklum balas positif adalah perlu, kerana foton yang dipancarkan menyebabkan tindakan pelepasan teraruh berikutnya. Untuk melakukan ini, medium aktif laser diletakkan di dalam rongga optik. Dalam kes paling mudah, ia terdiri daripada dua cermin, salah satunya adalah lut sinar - melaluinya pancaran laser sebahagiannya keluar dari resonator. Mencerminkan dari cermin, pancaran sinaran melewati berulang kali melalui resonator, menyebabkan peralihan teraruh di dalamnya. Sinaran boleh sama ada berterusan atau berdenyut. Pada masa yang sama, menggunakan pelbagai peranti (berputar prisma, sel Kerr dsb.) untuk mematikan dan menghidupkan maklum balas dengan cepat dan dengan itu mengurangkan tempoh denyutan, adalah mungkin untuk mewujudkan keadaan untuk menjana sinaran kuasa yang sangat tinggi (yang dipanggil denyutan gergasi). Mod operasi laser ini dipanggil mod termodulat. faktor kualiti.
Sinaran yang dihasilkan oleh laser adalah monokromatik (satu atau set diskret panjang gelombang), memandangkan kebarangkalian pelepasan foton dengan panjang gelombang tertentu adalah lebih besar daripada foton yang terletak berdekatan, dikaitkan dengan perluasan garis spektrum, dan, dengan itu, kebarangkalian peralihan teraruh pada frekuensi ini juga mempunyai maksimum. Oleh itu, secara beransur-ansur semasa proses penjanaan, foton dengan panjang gelombang tertentu akan mendominasi semua foton lain. Di samping itu, disebabkan oleh susunan khas cermin, hanya foton yang merambat dalam arah yang selari dengan paksi optik resonator pada jarak yang dekat darinya dikekalkan dalam pancaran laser yang tinggal dengan cepat meninggalkan volum resonator. Oleh itu, pancaran laser mempunyai sudut perbezaan yang sangat kecil ] . Akhirnya, pancaran laser mempunyai polarisasi yang jelas. Untuk melakukan ini, pelbagai polaroid dimasukkan ke dalam resonator, sebagai contoh, ia boleh berfungsi sebagai plat kaca rata yang dipasang pada sudut Brewster ke arah penyebaran pancaran laser.
§ 6 Penyerapan.
Pelepasan spontan dan dirangsang
Di bawah keadaan biasa (tanpa ketiadaan pengaruh luar), kebanyakan elektron dalam atom berada pada tahap paling rendah yang tidak dirangsang. E 1, iaitu atom mempunyai rizab minimum tenaga dalaman, tahap yang tinggal E 2 , E 3 ....E
n, sepadan dengan keadaan teruja, mempunyai populasi elektron yang minimum atau bebas sepenuhnya. Jika atom berada dalam keadaan dasar dengan E 1, maka di bawah pengaruh sinaran luaran peralihan paksa kepada keadaan teruja boleh berlaku dengan E 2. Kebarangkalian peralihan tersebut adalah berkadar dengan ketumpatan sinaran yang menyebabkan peralihan ini.
Atom, berada dalam keadaan teruja 2, boleh selepas beberapa ketika secara spontan (tanpa pengaruh luaran) beralih kepada keadaan dengan tenaga yang lebih rendah, mengeluarkan tenaga berlebihan dalam bentuk sinaran elektromagnet, i.e. memancarkan foton.
Proses pelepasan foton oleh atom yang teruja tanpa sebarang pengaruh luar dipanggil sinaran spontan (spontan). Semakin besar kebarangkalian peralihan spontan, semakin pendek jangka hayat purata atom dalam keadaan teruja. Kerana peralihan spontan tidak saling berkaitan, maka pelepasan spontan tidak koheren.
Jika atom dalam keadaan teruja 2 terdedah kepada sinaran luar dengan frekuensi yang memuaskanhn = E 2 - E 1, maka peralihan paksa (teraruh) ke keadaan tanah 1 berlaku dengan pancaran foton dengan tenaga yang samahn = E 2 - E 1 . Semasa peralihan sedemikian, sinaran daripada atom berlaku tambahan pula kepada foton di bawah pengaruhnya peralihan berlaku. Sinaran yang terhasil daripada pendedahan luaran dipanggil terpaksa. Oleh itu, dalam proses pelepasan yang dirangsang dua foton terlibat: foton primer yang menyebabkan atom teruja memancarkan sinaran, dan foton sekunder yang dipancarkan oleh atom. Foton sekunder tidak dapat dibezakan daripada yang utama.
Einstein dan Dirac membuktikan identiti sinaran yang dirangsang dengan sinaran pemanduan: mereka mempunyai fasa, kekerapan, polarisasi dan arah penyebaran yang sama.Þ Pelepasan yang dirangsang betul-betul koheren dengan sinaran paksa.
Foton yang dipancarkan, bergerak ke satu arah dan bertemu dengan atom-atom teruja yang lain, merangsang peralihan teraruh selanjutnya, dan bilangan foton bertambah seperti runtuhan salji. Walau bagaimanapun, bersama dengan pelepasan yang dirangsang, penyerapan akan berlaku. Oleh itu, untuk menguatkan sinaran kejadian, adalah perlu bahawa bilangan foton dalam pelepasan rangsangan (yang berkadar dengan populasi keadaan teruja) melebihi bilangan foton yang diserap. Dalam sistem, atom berada dalam keseimbangan termodinamik akan mengatasi pelepasan yang dirangsang, i.e. sinaran kejadian akan dilemahkan apabila melalui jirim.
Untuk medium untuk menguatkan kejadian sinaran di atasnya, adalah perlu untuk mencipta keadaan sistem tidak seimbang, di mana bilangan atom dalam keadaan teruja adalah lebih besar daripada dalam keadaan dasar. Negeri sedemikian dipanggil negeri dengan penyongsangan populasi. Proses mewujudkan keadaan jirim tidak seimbang dipanggil dipam. Pengepaman boleh dilakukan dengan kaedah optik, elektrik dan lain-lain.
Dalam persekitaran dengan populasi songsang, pelepasan yang dirangsang boleh melebihi penyerapan, i.e. sinaran kejadian akan dikuatkan apabila melalui medium (media ini dipanggil aktif). Untuk media ini dalam undang-undang Bouguersaya = saya 0 e - ax , pekali penyerapan a - negatif.
§ 7. Laser - penjana kuantum optik
Pada awal 60-an, penjana kuantum julat optik telah dicipta - laser " Penguatan Cahaya oleh Pembebasan Terransang Sinaran ” - penguatan cahaya oleh pelepasan radiasi yang dirangsang. Sifat sinaran laser: monokromatik tinggi (frekuensi cahaya yang sangat tinggi), arah spatial yang tajam, kecerahan spektrum yang besar.
Menurut undang-undang mekanik kuantum, tenaga elektron dalam atom tidak sewenang-wenangnya: ia hanya boleh mempunyai siri nilai tertentu (diskrit) E 1, E 2, E 3 ... E n, dipanggil tahap tenaga. Nilai ini berbeza untuk atom yang berbeza. Set nilai tenaga yang dibenarkan dipanggil spektrum tenaga atom. Dalam keadaan biasa (tanpa ketiadaan pengaruh luar), kebanyakan elektron dalam atom berada pada tahap teruja terendah E 1, i.e. atom mempunyai rizab minimum tenaga dalaman; tahap lain E 2, E 3 .....E n sepadan dengan tenaga atom yang lebih tinggi dan dipanggil teruja.
Apabila elektron bergerak dari satu tahap tenaga ke tahap yang lain, atom boleh memancarkan atau menyerap gelombang elektromagnet yang frekuensinya. n m n = (E m - E n) h,
di mana h - Pemalar Planck ( h = 6.62 · 10 -34 J s);
E n - akhir, E m - Tahap pertama.
Atom yang teruja boleh melepaskan sebahagian daripada tenaga berlebihannya, diterima daripada sumber luaran atau diperoleh hasil daripada gerakan haba elektron, dalam dua cara berbeza.
Mana-mana keadaan teruja atom adalah tidak stabil, dan sentiasa ada kemungkinan peralihan spontannya kepada keadaan tenaga yang lebih rendah dengan pancaran kuantum sinaran elektromagnet. Peralihan ini dipanggil secara spontan(spontan). Ia tidak teratur dan huru-hara. Semua sumber konvensional menghasilkan cahaya melalui pelepasan spontan.
Ini adalah mekanisme pelepasan pertama (radiasi elektromagnet). Dalam dipertimbangkan skim dua peringkat pelepasan cahaya, tiada penguatan sinaran boleh dicapai. Tenaga yang Diserap h n dibebaskan sebagai kuantum dengan tenaga yang sama h n dan kita boleh bercakap tentang keseimbangan termodinamik: proses pengujaan atom dalam gas sentiasa seimbang dengan proses pelepasan terbalik.
§2 Skim tiga peringkat
Dalam atom bahan pada keseimbangan termodinamik, setiap tahap teruja berikutnya mengandungi elektron yang lebih sedikit daripada yang sebelumnya. Jika sistem terdedah kepada sinaran mengujakan dengan frekuensi yang bergema dengan peralihan antara tahap 1 dan 3 (secara skematik 1→ 3), maka atom akan menyerap sinaran ini dan bergerak dari tahap 1 ke tahap 3. Jika keamatan sinaran cukup tinggi, maka bilangan atom yang bergerak ke tahap 3 boleh menjadi sangat ketara dan kita, dengan mengganggu taburan keseimbangan daripada populasi peringkat, akan meningkatkan populasi tahap 3 dan oleh itu mengurangkan populasi tahap 1.
Dari tahap ketiga atas 3 peralihan adalah mungkin→ 1 dan 3 → 2. Ternyata peralihan 3→ 1 membawa kepada pelepasan tenaga E 3 -E 1 = h n 3-1, dan peralihan 3 → 2 bukan radiasi: ia membawa kepada populasi "dari atas" tahap pertengahan 2 (sebahagian daripada tenaga elektron semasa peralihan ini diberikan kepada bahan, memanaskannya). Tahap kedua ini dipanggil metastabil, dan pada akhirnya akan ada lebih banyak atom di atasnya daripada yang pertama. Memandangkan atom memasuki tahap 2 dari tahap utama 1 hingga keadaan atas 3, dan kembali semula ke tahap utama dengan "kelewatan besar", tahap 1 "habis".
Akibatnya, timbul penyongsangan, mereka. taburan songsang songsang bagi populasi peringkat. Penyongsangan populasi tahap tenaga dicipta oleh sinaran tambahan yang sengit dipanggil sinaran pam dan akhirnya membawa kepada teraruh(terpaksa) pendaraban foton dalam medium songsang.
Seperti mana-mana penjana, dalam laser untuk mendapatkan mod pengelasan adalah perlu Maklum balas. Dalam laser, maklum balas direalisasikan menggunakan cermin. Medium penguat (aktif) diletakkan di antara dua cermin - rata atau, lebih kerap, cekung. Satu cermin dibuat pepejal, satu lagi separa lutsinar.
"Benih" untuk proses penjanaan ialah pelepasan spontan foton. Hasil daripada pergerakan foton ini dalam medium, ia menghasilkan runtuhan foton yang terbang ke arah yang sama. Setelah mencapai cermin lut sinar, runtuhan salji akan dipantulkan sebahagian dan sebahagiannya melalui cermin ke luar. Selepas pantulan dari cermin kanan, gelombang itu kembali, terus meningkat. Setelah pergi jauhl, ia sampai ke cermin kiri, dipantulkan dan sekali lagi bergegas ke cermin kanan.
Keadaan sedemikian dicipta hanya untuk gelombang paksi. Kuanta arah lain tidak dapat menghilangkan sebahagian ketara tenaga yang disimpan dalam medium aktif.
Gelombang yang muncul daripada laser mempunyai bahagian hadapan yang hampir rata dan tahap koheren spatial dan temporal yang tinggi pada keseluruhan keratan rentas rasuk.
Dalam laser, pelbagai gas dan campuran gas digunakan sebagai media aktif ( laser gas), kristal dan gelas dengan kekotoran ion tertentu ( laser keadaan pepejal), semikonduktor ( laser semikonduktor).
Kaedah pengujaan (dalam sistem pengepaman) bergantung pada jenis medium aktif. Ini sama ada kaedah memindahkan tenaga pengujaan akibat perlanggaran zarah dalam plasma pelepasan gas (laser gas), atau memindahkan tenaga dengan menyinari pusat aktif dengan cahaya tidak koheren daripada sumber khas (pengepam optik dalam laser keadaan pepejal), atau suntikan pembawa nonequilibrium melalui p- n - peralihan, sama ada pengujaan oleh pancaran elektron, atau pengepaman optik (laser semikonduktor).
Pada masa ini, sejumlah besar laser berbeza telah dicipta yang menghasilkan sinaran dalam pelbagai panjang gelombang (200¸ 2·10 4 nm). Laser beroperasi dengan tempoh nadi cahaya yang sangat singkat t" 1·10 -12 s, juga boleh menghasilkan sinaran berterusan. Ketumpatan fluks tenaga sinaran laser adalah pada urutan 10 10 W/cm 2 (keamatan Matahari hanya 7·10 3 W/cm 2).
Peralihan sistem teruja (atom, molekul) dari aras tenaga atas kepada yang lebih rendah boleh berlaku sama ada secara spontan atau teraruh.
Spontan ialah peralihan spontan (bebas) yang disebabkan hanya oleh faktor-faktor yang bertindak dalam sistem dan ciri-cirinya. Faktor-faktor ini menentukan purata masa sistem kekal dalam keadaan teruja; menurut hubungan Heisenberg (lihat § 11),
Secara teorinya, kali ini boleh mempunyai nilai yang berbeza dalam:
iaitu, ia bergantung pada sifat sistem - penyebaran nilai tenaga keadaan teruja (nilai purata masa yang dihabiskan dalam keadaan teruja biasanya diambil sebagai ciri sistem, bergantung pada nilai purata. Satu juga harus mengambil kira kesan pada sistem ruang sekeliling ("vakum fizikal"), di mana walaupun tanpa gelombang elektromagnet, terdapat, menurut teori kuantum, medan turun naik ("turun naik vakum"); medan boleh merangsang peralihan sistem terjaga ke tahap yang lebih rendah dan harus dimasukkan antara faktor yang tidak dapat dikurangkan yang menyebabkan peralihan spontan.
Teraruh ialah peralihan terpaksa (dirangsang) kepada keadaan yang lebih rendah secara bertenaga yang disebabkan oleh beberapa pengaruh luaran pada sistem teruja: perlanggaran haba, interaksi dengan zarah jiran atau gelombang elektromagnet yang melalui sistem. Walau bagaimanapun, definisi yang lebih sempit telah ditetapkan dalam literatur: teraruh ialah peralihan yang hanya disebabkan oleh gelombang elektromagnet, dan frekuensi yang sama yang dipancarkan oleh sistem semasa peralihan ini (medan frekuensi lain tidak akan bergema dengan ayunan semula jadi sistem,
oleh itu, kesan rangsangannya akan menjadi lemah). Oleh kerana "pembawa" medan elektromagnet adalah foton, ia mengikuti dari definisi ini bahawa semasa sinaran teraruh, foton luaran merangsang kelahiran foton baru dengan frekuensi yang sama (tenaga).
Mari kita pertimbangkan ciri terpenting peralihan spontan dan teraruh menggunakan satu contoh ideal yang mudah. Mari kita anggap bahawa dalam isipadu V dengan dinding cermin terdapat sistem yang sama (atom, molekul), yang pada momen tetap awal beberapa daripadanya dipindahkan ke keadaan teruja dengan tenaga jumlah tenaga yang berlebihan dalam isipadu ini akan sama dengan. Untuk peralihan spontan berikut adalah ciri:
1) proses peralihan sistem teruja kepada keadaan normal (iaitu, sinaran tenaga berlebihan dilanjutkan dari masa ke masa. Sesetengah sistem kekal dalam keadaan teruja untuk masa yang singkat; bagi yang lain, masa ini lebih lama. Oleh itu, fluks ( kuasa) sinaran akan berubah dari semasa ke semasa, mencapai maksimum dalam beberapa ketika dan kemudian secara asimptotik akan berkurangan kepada sifar Nilai purata fluks sinaran akan sama.
2) saat dalam masa apabila sinaran satu sistem bermula, dan lokasi sistem ini sama sekali tidak berkaitan dengan momen sinaran dan lokasi yang lain, iaitu, tidak ada "ketekalan" (korelasi) antara sistem pemancar sama ada dalam ruang atau dalam masa. Peralihan spontan adalah proses rawak sepenuhnya, bertaburan dalam masa, sepanjang isipadu medium dan dalam semua arah yang mungkin; Satah polarisasi dan sinaran elektromagnet daripada pelbagai sistem mempunyai serakan kebarangkalian, jadi pemancar itu sendiri bukanlah sumber gelombang koheren.
Untuk mencirikan peralihan teraruh, mari kita andaikan bahawa satu foton dengan tenaga yang betul-betul sama dengan dimasukkan ke dalam isipadu V yang sedang dipertimbangkan pada sekelip mata Terdapat beberapa kebarangkalian bahawa foton ini akan diserap olehnya semasa satu perlanggaran dengan a sistem tidak teruja; kebarangkalian ini akan diambil kira di bawah dalam kes yang lebih umum (apabila interaksi sistem yang sedang dipertimbangkan dengan gas foton berlaku dalam volum V). Kami akan menganggap bahawa foton tidak diserap, berulang kali dipantulkan dari dinding kapal dan, apabila berlanggar dengan sistem teruja, merangsang pelepasan foton yang sama, iaitu, menyebabkan peralihan teraruh. Walau bagaimanapun, setiap foton baharu yang muncul semasa peralihan ini juga akan merangsang peralihan teraruh. Oleh kerana halaju foton adalah tinggi dan dimensi volum V adalah kecil, ia akan mengambil masa yang sangat singkat untuk semua sistem teruja yang hadir pada saat awal untuk dipaksa beralih kepada keadaan normal. Akibatnya, berikut adalah ciri peralihan teraruh:
1) masa yang diperlukan untuk mengeluarkan tenaga berlebihan boleh diselaraskan dan dibuat sangat kecil, jadi fluks sinaran boleh menjadi sangat besar;
2) Selain itu, foton yang menyebabkan peralihan dan foton tenaga (frekuensi) yang sama yang muncul semasa peralihan ini berada dalam fasa yang sama, mempunyai polarisasi dan arah pergerakan yang sama. Oleh itu, gelombang elektromagnet yang dihasilkan oleh pelepasan yang dirangsang adalah koheren.
Walau bagaimanapun, tidak setiap perlanggaran foton dengan sistem teruja membawa kepada peralihannya kepada keadaan normal, iaitu, kebarangkalian peralihan teraruh dalam setiap "tindakan interaksi" foton dengan sistem tidak sama dengan satu. Mari kita nyatakan kebarangkalian ini dengan Mari kita andaikan bahawa pada masa tertentu terdapat foton dalam isipadu V dan setiap satu daripadanya, secara purata, boleh mempunyai perlanggaran per unit masa. Kemudian bilangan peralihan teraruh per unit masa, dan oleh itu bilangan foton yang muncul dalam isipadu V, akan sama dengan
Mari kita nyatakan bilangan sistem teruja dalam isipadu V dengan Bilangan perlanggaran foton dengan sistem teruja akan berkadar dengan kepekatan sistem sedemikian, iaitu. Kemudian ia boleh dinyatakan bergantung kepada:
di mana Shind mengambil kira semua faktor lain kecuali bilangan foton dan bilangan sistem teruja
Peningkatan bilangan foton dalam isipadu V juga akan berlaku disebabkan oleh pelepasan spontan. Kebarangkalian peralihan spontan adalah timbal balik purata masa yang dibelanjakan dalam keadaan teruja Oleh itu, bilangan foton yang muncul setiap unit masa disebabkan oleh peralihan spontan akan sama dengan
Penurunan bilangan foton dalam volum V akan berlaku akibat penyerapannya oleh sistem yang tidak teruja (dalam kes ini, bilangan sistem teruja akan meningkat). Memandangkan bukan setiap "tindakan interaksi" foton dengan sistem disertai dengan penyerapan, kebarangkalian penyerapan perlu diperkenalkan Bilangan perlanggaran setiap unit masa bagi satu foton dengan sistem tidak teruja akan berkadar dengan bilangan sistem tersebut; oleh itu, dengan analogi dengan (2.83), untuk kehilangan foton kita boleh menulis:
Mari kita cari perbezaan antara keamatan proses pelepasan dan penyerapan foton, iaitu, proses peralihan sistem dari tahap yang lebih tinggi kepada yang lebih rendah dan sebaliknya:
Bergantung pada nilai, perubahan berikut mungkin berlaku dalam volum yang sedang dipertimbangkan;
1) jika kemudian dalam isipadu ini akan terdapat penurunan beransur-ansur dalam ketumpatan gas foton, iaitu penyerapan tenaga sinaran. Keadaan yang diperlukan untuk ini ialah kepekatan rendah sistem teruja: Lvozb
2) jika kemudian keadaan keseimbangan diwujudkan dalam sistem pada kepekatan tertentu sistem teruja dan ketumpatan tenaga sinaran;
3) jika (yang mungkin untuk nilai yang besar), maka dalam isipadu yang dipertimbangkan akan terdapat peningkatan ketumpatan gas foton (tenaga sinaran).
Adalah jelas bahawa penurunan atau peningkatan tenaga sinaran akan berlaku bukan sahaja dalam isipadu terpencil dengan dinding pemantul, tetapi juga dalam kes apabila aliran tenaga sinaran monokromatik (aliran foton dengan frekuensi merambat dalam medium yang mengandungi teruja. zarah dengan tenaga yang berlebihan
Mari kita cari perubahan relatif dalam bilangan foton setiap foton dan setiap sistem; menggunakan (2.86), (2.83), (2.84) dan (2.85), kita memperoleh
Perhatikan bahawa dalam keadaan keseimbangan (yang mungkin hanya pada suhu positif mengikut formula (2.42) yang diberikan dalam § 12, nisbahnya adalah sama dengan
Jumlah statistik dalam penyebut dalam kes ini hanya terdiri daripada dua istilah yang sepadan dengan: 1) sistem dalam keadaan normal dengan tenaga dan 2) sistem teruja dengan tenaga Daripada formula ini ia mengikuti bahawa pada suhu positif yang tidak terhingga meningkatkan suhu adalah mustahil untuk mencapai keadaan di mana bilangan sistem teruja akan lebih besar daripada bilangan sistem yang tidak teruja. adalah lebih besar daripada Mneexc, iaitu adalah perlu bahawa bilangan foton yang muncul semasa peralihan ke tahap yang lebih rendah harus lebih besar daripada bilangan foton yang diserap pada masa yang sama). Telah dinyatakan di atas bahawa keadaan sedemikian tidak boleh dicapai dengan meningkatkan suhu. Oleh itu, untuk mendapatkan medium yang mampu meningkatkan fluks sinaran yang melaluinya, perlu menggunakan kaedah pengujaan atom dan molekul lain (bukan suhu).
Ia boleh ditunjukkan bahawa terdapat lebih banyak (iaitu N) hanya pada suhu negatif, iaitu, dalam keadaan bukan keseimbangan medium yang sedang dipertimbangkan. Jika, sebagai tambahan, keadaan tidak seimbang ini adalah metastabil (lihat Bahagian II, § 3), maka dengan bantuan pengaruh luar yang sesuai adalah mungkin untuk menyebabkan peralihan mendadak kepada keadaan keseimbangan dengan melepaskan tenaga berlebihan dalam masa yang sangat singkat. Idea ini mendasari operasi laser.
Keadaan medium di mana tahap tenaga atas mempunyai faktor pengisian yang lebih besar berbanding dengan yang lebih rendah dipanggil penyongsangan. Oleh kerana dalam keadaan ini medium tidak melemah, seperti biasa, tetapi meningkatkan sinaran yang melaluinya, maka dalam formula untuk mengubah keamatan fluks sinaran dalam medium
pekali akan menjadi nilai negatif (oleh itu eksponen akan menjadi nilai positif). Memandangkan ini, medium dalam keadaan penyongsangan dipanggil medium dengan indeks penyerapan negatif. Kemungkinan untuk mendapatkan media tersebut, sifatnya dan penggunaannya untuk penguatan sinaran optik telah ditubuhkan dan dibangunkan oleh V. A. Fabrikant dan rakan-rakannya (1939-1951).