Нижчому енергетичному рівню атома відповідає орбіта найменшого радіусу. У звичайному стані електрон знаходиться на цій орбіті. При повідомленні порції енергії електрон перетворюється на інший енергетичний рівень, тобто. "перескакує" на одну із зовнішніх орбіт. У такому, так званому збудженому стані, атом нестійкий. Через деякий час електрон переходить більш низький рівень, тобто. на орбіту меншого радіусу. Перехід електрона з далекої орбіти на ближню супроводжується випромінюванням світлового кванта. Світло - це потік особливих частинок, що випускаються атомами - фотонів, або квантів електромагнітного випромінювання. Їх слід уявляти як відрізків хвилі, а чи не як частинки речовини. Кожен фотон несе строго певну порцію енергії, викинуту атомом.
В основному стан атоми знаходяться на 1 енергетичному рівні з найменшою енергією. Щоб перевести атом на рівень 2, треба повідомити енергію hν=∆E=E2-E1. Або кажуть, необхідно, щоб атом провзаємодіяв із одним квантом енергії. Зворотний перехід 2 електронів може відбуватися мимовільно лише в одному напрямку. Поруч із цими переходами можливі й змушені переходи під впливом зовнішнього випромінювання. Перехід 1à2 завжди вимушений. Атом, який опинився в стані 2, живе в ньому на протязі 10(с.-8)с, після чого атом спонтанно повертається у вихідний стан. Поряд із спонтанним переходом 2à1 можливий вимушений перехід, при цьому випромінюється квант енергії, який викликав цей перехід. Це додаткове випромінювання називається вимушеним чи індукованим. Т.о. під впливом зовнішнього випромінювання можливі 2 переходи: вимушене випромінювання та вимушене поглинання, причому обидва процеси рівноймовірні. Додатковий квант, що випускається при вимушеному випромінюванні, призводить до посилення світла. Індуковане випромінювання має властивості: 1) нагрівання індукованого кванта збігається з напругою кванта, що індукує, 2) фаза, поляризація, частота індукуючого випромінювання збігається з фазою, поляризацією і частотою індукуючого випромінювання, тобто. індуковане і випромінювання, що індукує, висококогерентні, 3) при кожному індукованому переході відбувається виграш в 1 квант енергії, тобто. посилення світла. j
КВИТОК 8
Суб'єктивні характеристики сприйняття звуку, їх зв'язок із об'єктивними характеристиками звуку.
Суб'єктивні характеристики звуку
У свідомості людини під впливом нервових імпульсів, які від звуковоспринимающего органу, формуються слухові відчуття, які суб'єкт може охарактеризувати певним чином.
Існують три суб'єктивні характеристики звук, засновані на відчуттях, які цей звук викликає у суб'єкта: висота звуку, тембр звуку та гучність звуку.
Поняттям висота суб'єкт оцінює звуки різних частот: що більше частота звуку, то більш високим називається даний звук. Однак між частотою звуку та його висотою немає однозначної відповідності. На сприйняття висоти звуку впливає його інтенсивність. З двох звуків однакової частоти звук більшої інтенсивності сприймається як нижчий.
Тембром звуку називається якісна характеристика звуку (своєрідне "забарвлення" звуку) пов'язана з його спектральним складом. Голоси різних людей різняться між собою. Ця різниця визначається різним спектральним складом звуків, що відтворюються різними людьми. Існують спеціальні назви для голосів різного тембру: бас, тенор, сопрано та ін. З цієї ж причини люди розрізняють однакові ноти, відтворені на різних музичних інструментах: у різних інструментів різний спектральний склад звуків.
Гучність - це суб'єктивна характеристика звуку, що визначає рівень слухового відчуття: чим вищий рівень слухового відчуття, що виникає у суб'єкта, тим гучнішим називає суб'єкт даний звук.
Розмір слухового відчуття (гучність) залежить від інтенсивності звуку і- чутливості слухового апарату суб'єкта. Чим вище інтенсивність звуку, тим вища величина слухового відчуття (гучність) за інших рівних умов.
Слуховий апарат людини здатний сприймати звуки, інтенсивність яких змінюється у досить широких межах. Для появи слухового відчуття інтенсивність звуку має перевищувати певне певне значення / 0 Мінімальне значення інтенсивності звуку / 0 сприймається слуховим апаратом суб'єкта, називається пороговою інтенсивністю, або порогом чутності. У різних людей величина порога чутності має різне значення і змінюється за зміни частоти звуку. У середньому для людей із нормальним слухом на частотах 1-3 кГц і поріг чутності Iо приймається рівним 10" 12 Вт/м".
З іншого боку, при перевищенні інтенсивності звуку деякої межі в органі слуху замість слухового відчуття виникає відчуття болю.
Максимальне значення інтенсивності звуку I Maxi ще сприймається суб'єктом як звукове відчуття, називається порогом больового відчуття. Величина порога больового відчуття приблизно дорівнює 10 Вт/м". Поріг чутності 10 і поріг больового відчуття 1 мах визначають інтервал інтенсивностей звуків, що створюють у суб'єкта слухове відчуття.
Блок-схема електричного діагностичного приладу. Термодатчик, пристрій та принцип дії. Чутливість термодатчика.
Спектроскоп. Оптична схема та принцип дії спектроскопа.
КВИТОК 9
Закон Вебера-Фехнера. Гучність звуків, одиниці виміру гучності.
Чутливість слухового апарату людини, своєю чергою, сама залежить від інтенсивності звуку та її частоти. Залежність чутливості від інтенсивності є загальною властивістю всіх органів чуття і називається адаптацією. Чутливість органів чуття до зовнішнього подразника автоматично зменшується з підвищенням інтенсивності подразника. Кількісно взаємозв'язок чутливості органу та інтенсивності подразника виражається емпіричним законом Вебера-Фехнера: при порівнянні двох подразників приріст сили відчуття пропорційний логарифму відношення інтенсивностей подразників.
Математично цей взаємозв'язок виражається співвідношенням
∆E = E 2 -E 1 = k*lgI 2 /I 1
де I 2 і I 1 - інтенсивності подразників,
E 2 та E 1 - відповідні їм сили відчуттів,
до - коефіцієнт, що залежить від вибору одиниць вимірювання інтенсивностей та сил відчуттів.
Відповідно до закону Вебера-Фехнера зі збільшенням інтенсивності звуку збільшується і величина слухового відчуття (гучність); однак за рахунок зменшення чутливості величина слухового відчуття зростає меншою мірою, ніж інтенсивність звуку. Величина слухового відчуття наростає зі збільшенням інтенсивності звуку пропорційно логарифму інтенсивності.
Використовуючи закон Вебера-Фехнера та поняття порогової інтенсивності, можна запровадити кількісну оцінку гучності. Покладемо у формулі (4) інтенсивність першого подразника (звуку) рівної порогової (I 1 =I 0), тоді E 1 дорівнюватиме нулю. Опускаючи індекс "2", отримаємо E = k*lgI/I 0
Величина слухового відчуття (гучність) Е пропорційна логарифму відношення інтенсивності звуку, що створив цю величину відчуття, до граничної інтенсивності I 0. Вважаючи коефіцієнт пропорційності до рівних одиниці, отримаємо величину слухового відчуття Е в одиницях, званих "біл".
Таким чином величина слухового відчуття (гучність) визначається за формулою
E = lgI/I 0 [Б].
Поряд із білами використовується одиниця в 10 разів менша, що отримала назву "децибел". Гучність звуку в децибелах визначається за формулою
E = 10lgI/I 0 [ДБ].
Блок-схема електричного діагностичного приладу. Призначення та основні характеристики підсилювача. Види спотворень. p align="justify"> Коефіцієнт посилення підсилювача, його залежність від параметрів схеми.
Коефіцієнт пропускання та оптична щільність розчинів, їх залежність від концентрації.
Примітка: r" і k" - вектори r і k відповідно.
Один із основних висновків квантової механіки свідчить, що кожна фізична система (наприклад, електрон в атомі) може перебувати тільки в одному із заданих енергетичних станів, - так званих, власних станах системи. З кожним станом (скажімо, зі станом електрона) можна пов'язати власну функцію
Ψ (r", t) = U n * (r") * e -iEnt/ħ
причому | Un(r") | 2 dxdydz - ймовірність знаходження електрона в деякому стані n в межах елементарного об'єму dxdydz з центром у точці, що визначається радіус-вектором r" , Е n - енергія n-го стану, = h/2π; - Постійна Планка.
Кожному електрону у певній фізичної системі (наприклад, в атомі чи молекулі) відповідає свій стан, тобто. своя енергія, причому ця енергія має дискретне значення.
На рис. 7.1 наведено схему енергетичних рівнів такої фізичної системи (на прикладі атома) . Звернемося до двох із рівнів цієї системи - 1 і 2. Рівень 1 відповідає основному стану фізичної системи, де знаходження її найімовірніше. На рівень 2 система (електрон в атомі) може потрапити, якщо їй передано деяку енергію, що дорівнює hv = | E 2 - E 1 |
Цей рівень 2 атома є збудженим станом. Якщо система (атом) перебуває в стані 2 протягом часу t 0 існує кінцева ймовірність, що він перейде в стан 1, випустивши при цьому квант електромагнітної енергії hv = E 2 - E 1 . Цей процес, що відбувається без впливу зовнішнього поля випадково у часі (хаотично), називається спонтанним.
Середня кількість атомів, що зазнають спонтанного переходу зі стану 2 в стан 1 за одну секунду
DN 2 / dt = A 2 1 * N 2 = N 2 / (t cn) 2 1
де А 21 - швидкість (ймовірність) спонтанного переходу, (t cn) 21 = A 21 - 1 називається часом життя атома у збудженому стані, пов'язаним із переходом 2→1. Спонтанні переходи походять з будь-якого даного стану тільки в стани, що лежать по енергії нижче (наприклад, якщо атом знаходиться в стані 3, то можливі прямі переходи 3→2, 3→1, а атом, що потрапив на рівень 2, переходить спонтанно на рівень 1).
За наявності електромагнітного поля, що має частоту v ~ (E 2 - E 1) / h атом може здійснити перехід зі стану 1 до стану 2, поглинаючи при цьому квант електромагнітного поля (фотон) з енергією hv. Однак, якщо атом у той момент, коли він піддається дії електромагнітного поля, вже знаходиться в стані 2, він може перейти в стан 1 з випусканням кванта з енергією hv під впливом цього поля. Цей перехід відповідає індукованомувипромінювання.
Процес індукованого переходу від спонтанного відрізняє те, що для індукованого переходу швидкості переходів 2→1 і 1→2 дорівнюють, у той час як для спонтанного процесу швидкість переходу 1→2, при якому енергія атома збільшується, дорівнює нулю.
Крім цього, індуковані процеси мають інші принципові особливості:
- швидкість індукованих процесів пропорційна інтенсивності електромагнітного поля, тоді як спонтанні від поля не залежать;
- хвильовий вектор k" , що визначає напрямок поширення індукованого випромінювання, збігається у напрямку з відповідним вектором поля, що змушує (спонтанне випромінювання має довільний напрямок поширення);
- частота, фаза і поляризація індукованого випромінювання також збігаються з частотою, фазою і поляризацією поля, що змушує, в той час як спонтанне випромінювання, навіть маючи ту ж частоту, має довільну випадкову фазу і поляризацію.
Розглянемо випадок, коли плоска монохроматична хвиля з частотою v та інтенсивністю I v поширюється через середовище з об'ємною щільністю атомів N 2 лише на рівні 2 і N 1 лише на рівні 1.
Якщо ввести швидкість переходів, які індукуються монохроматичним полем з частотою v, позначивши її через W i (v), можна оцінити умови, за яких існуватиме індуковане випромінювання.
За 1 з обсягом 1 м 3 виникає N 2 W i індукованих переходів з рівня 2 на рівень 1 і N 1 W i переходів з 1 на 2 рівень. Таким чином, повна потужність, що генерується в одиничному обсязі
Мал. 1. a - спонтанне випромінювання фотона; б - вимушене випромінювання; в – резонансне поглинання; Е1 та Е2 – рівні енергії атома.
Атом, перебуваючи у збудженому стані аможе через деякий проміжок часу спонтанно, без будь-яких зовнішніх впливів, перейти в стан з нижчою енергією (у нашому випадку в основне), віддаючи надмірну енергію у вигляді електромагнітного випромінювання (випускаючи фотон з енергією h = E 2 -Е 1). Процес випромінювання фотона збудженим атомом (збудженою мікросистемою) без будь-яких зовнішніх впливів називається спонтанним(або мимовільним) випромінюванням. Чим більша ймовірність спонтанних переходів, тим менший середній час життя атома у збудженому стані. Оскільки спонтанні переходи взаємно пов'язані, то спонтанне випромінювання некогерентно.
У 1916 р. А. Ейнштейн для пояснення спостерігався на досвіді термодинамічної рівноваги між речовиною і випромінюванням, що випускається і поглинається нею, постулював, що крім поглинання і спонтанного випромінювання повинен існувати третій, якісно інший тип взаємодії. Якщо на атом, що перебуває у збудженому стані 2 , діє зовнішнє випромінювання з частотою, яка задовольняє умову hv= E 2 – E 1 , то виникає вимушений (індукований) перехідв основний стан 1 з випромінюванням фотона тієї ж енергії hv= E 2 – E 1 (рис. 309, в). При такому переході відбувається випромінювання атомом. фотона, додатководо того фотону, під впливом якого відбувся перехід. Випромінювання, що виникає в результаті таких переходів, називається вимушеним (індукованим) випромінюванням.Таким чином, у процес вимушеного випромінювання залучені два фотони: первинний фотон, що викликає випромінювання випромінювання збудженим атомом, і вторинний фотон, випущений атомом. Істотно, що вторинні фотони невідміннівід первинних, будучи точною їхньою копією.
7 Принцип дії лазера
Лазерпристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін.) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого та вузькоспрямованого потоку випромінювання.
Фізичною основою роботи лазера є квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують як робоче середовище всі агрегатні стани речовини.
Фізичною основою роботи лазера є явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища у тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під впливом іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінюваний фотон когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його «точною копією»). У такий спосіб відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрямок розповсюдження, поляризацію і фазу. Тому посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів серед було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера ( оптичні, електричні, хімічніта ін.).
Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення наступності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінювані фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера міститься в оптичний резонатор. У найпростішому випадку він є двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (обертові призми, осередки Керрата ін) для швидкого вимикання та включення зворотного зв'язку та зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованою добротності.
Випромінювання, що генерується лазером, є монохроматичним (одним або дискретним набором довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі домінуватимуть над іншими фотонами. Крім цього, через особливе розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином, промінь лазера має дуже малий кут розбіжності. ] . Нарешті, промінь лазера має певну поляризацію. Для цього в резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до розповсюдження променя лазера
§ 6 Поглинання.
Спонтанне та вимушене випромінювання
У нормальних умовах (за відсутності зовнішніх впливів) більшість електронів в атомах перебувають на найнижчому незбудженому рівні Е 1, тобто. атом має мінімальний запас внутрішньої енергії, інші рівні Е 2 , Е 3 ....Е
n, відповідні збудженим станам, мають мінімальну заселеність електронами або взагалі вільні. Якщо атом знаходиться в основному стані з Е 1 , то під дією зовнішнього випромінювання може здійснитися вимушений перехід у збуджений стан Е 2 . Імовірність таких переходів пропорційна густини випромінювання, що викликає ці переходи.
Атом, перебуваючи в збудженому стані 2 може через деякий час спонтанно мимовільно (без зовнішніх впливів) перейти в стан з нижчою енергією, віддаючи надмірну енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, тобто. Випускаючи фотон.
Процес випромінювання фотона збудженим атомом без будь-яких зовнішніх впливів називається спонтанним (самовільним) випромінюванням.Чим більша ймовірність спонтанних переходів, тим менший середній час життя атома у збудженому стані. Т.к. спонтанні переходи взаємно не пов'язані, то спонтанне випромінювання не когерентно.
Якщо атом, що знаходиться у збудженому стані 2, діє зовнішнє випромінювання з частотою, що задовольняєhn = Е 2 - Е 1 , виникає вимушений (індукований) перехід в основний стан 1 з випромінюванням фотона з тією ж енергієюhn = Е 2 - Е 1 . При такому переході відбувається випромінювання атомом додатководо того фотону, під впливом якого відбувся перехід. Випромінювання, що відбувається в результаті зовнішнього опромінення називається вимушеним. Таким чином, у процес вимушеного випромінюваннязалучені два фотони: первинний фотон, що викликає випромінювання випромінювання збудженим атомом, і вторинний фотон, випущений атомом. Вторинні фотони невідміннівід первинних.
Ейнштейн і Дірак довели тотожність вимушеного випромінювання примусовому випромінюванню: вони мають однакову фазу, частоту, поляризацію та напрямок поширення.Þ Вимушене випромінювання суворо когерентноз примусовим випромінюванням.
Випущені фотони, рухаючись в одному напрямку та, зустрічаючи інші збуджені атоми, стимулюють подальші індуковані переходи, і число фотонів зростає лавиноподібно. Однак поряд із вимушеним випромінюванням відбуватиметься поглинання. Тому для посилення падаючого випромінювання необхідно, щоб число фотонів у вимушених випромінюваннях (яке пропорційно заселеності збуджених станів) перевищувало число поглинених фотонів. У системі атоми перебувають у термодинамічному рівновазі, поглинання переважатиме над вимушеним випромінюванням, тобто. падаюче випромінювання при проходженні через речовину послаблюватиметься.
Щоб середовище посилювало падіння на неї випромінювання необхідно створити нерівноважний стан системи, При якому число атомів у збудженому стані більше, ніж переважно. Такі стани називаються станами з інверсією заселеностей. Процес створення нерівноважного стану речовини називається накачуванням. Накачування можна здійснити оптичними, електричними та іншими способами.
У середовищах з інверсною заселеністю вимушене випромінювання може перевищити поглинання, тобто. падаюче випромінювання під час проходження через середовище посилюватиметься (ці середовища називаються активними). Для цих середовищ у законі БугераI = I 0 e - ax , коефіцієнт поглинання a - негативний.
§ 7. Лазери – оптичні квантові генератори
На початку 60-х років було створено квантовий генератор оптичного діапазону - лазер Light Amplification by Stimulated emission of Radiation ” – посилення світла шляхом індукованого випромінювання випромінювання. Властивості лазерного випромінювання: висока монохроматичність (гранично висока світлова частота), гостра просторова спрямованість, величезна спектральна яскравість.
Відповідно до законів квантової механіки, енергія електрона в атомі не довільна: вона може мати лише певний (дискретний) ряд значень Е1, Е2, Е3…Е n, званих рівнями енергії.Ці значення різні для різних атомів. Набір дозволених значень енергії має назву енергетичного спектруатома. У нормальних умовах (за відсутності зовнішніх впливів) більшість електронів в атомах перебуває в найнижчому збудженому рівні Е 1 , тобто. атом має мінімальний запас внутрішньої енергії; решта рівні Е 2 , Е 3 .....Е n відповідають вищій енергії атома і називаються збудженими.
При переході електрона з одного рівня енергії на інший атом може випромінювати або поглинати електромагнітні хвилі, частота яких n m n = (Е m - Е n ) h ,
де h - Постійна Планка ( h = 6.62 · 10 -34 Дж · с);
Е n – кінцевий, Е m - початковий рівень.
Збуджений атом може віддати свою деяку надмірну енергію, отриману від зовнішнього джерела або придбану ним внаслідок теплового руху електронів двома різними способами.
Будь-який збуджений стан атома нестійкий, і завжди існує ймовірність його мимовільного переходу в нижчий енергетичний стан з випромінюванням кванта електромагнітного випромінювання. Такий перехід називають спонтанним(мимовільним). Він має нерегулярний, хаотичний характер. Усі звичайні джерела дають світло внаслідок спонтанного випромінювання.
Такий перший механізм випромінювання (електромагнітного випромінювання). У розглянутій дворівневої схемивипромінювання світла ніякого посилення випромінювання добитися не вдасться. Поглинена енергія h n виділяється у вигляді кванта з тією ж енергією h n і можна говорити про термодинамічній рівновазі: процеси збудження атомів у газі завжди врівноважені зворотними процесами спукування.
§2 Трирівнева схема
У атомах речовини при термодинамічному рівновазі кожному наступному збудженому рівні перебуває менше електронів, ніж попередньому. Якщо вплинути на систему збуджуючим випромінюванням з частотою, що потрапляє в резонанс з переходом між рівнями 1 і 3 (схематично 1→ 3), то атоми поглинатимуть це випромінювання і переходитимуть з рівня 1 на рівень 3. Якщо інтенсивність випромінювання досить велика, то число атомів, що перейшли на рівень 3, може бути значним і ми, порушивши рівноважний розподіл населення рівнів, збільшимо населеність рівня 3 та зменшимо, отже, населеність рівня 1.
З верхнього третього рівня можливі переходи 3→ 1 та 3 → 2. Виявилось, що перехід 3→ 1 призводить до випромінювання енергії Е 3 -Е 1 = h n 3-1 , а перехід 3 → 2 не є випромінювальним: він веде до заселення ”зверху” проміжного рівня 2 (частина енергії електронів у цьому переході віддається речовині, нагріваючи його). Цей другий рівень називається метастабільним, і у ньому у результаті виявиться атомів більше, ніж першому. Оскільки атоми рівень 2 надходять з основного рівня 1 через верхній стан 3, а назад на основний рівень повертаються з "великим запізненням", то рівень 1 "збідняється".
В результаті і виникає інверсія,тобто. зворотний інверсний розподіл населення рівнів. Інверсія населеностей енергетичних рівнів створюється інтенсивним допоміжним випромінюванням, яке називається випромінюванням накачуванняі призводить в кінцевому підсумку до індукованому(вимушеного) розмноження фотонів в інверсному середовищі.
Як у будь-якому генераторі, в лазері для отримання режиму генерації необхідна Зворотній зв'язок. У лазері зворотний зв'язок реалізується за допомогою дзеркал. Підсилювальне (активне) середовище міститься між двома дзеркалами - плоскими або частіше увігнутими. Одне дзеркало стає суцільним, інше частково прозорим.
Затравкою для процесу генерації служить спонтанне випромінювання фотона. Внаслідок руху цього фотона в середовищі він породжує лавину фотонів, що летять у тому самому напрямку. Дійшовши до напівпрозорого дзеркала, лавина частково відіб'ється, а частково пройде крізь дзеркало назовні. Після відбиття від правого дзеркала хвиля йде назад, продовжуючи посилюватись. Пройшовши відстаньl, вона досягає лівого дзеркала, відбивається і знову прямує до правого дзеркала.
Такі умови створюються лише осьових хвиль. Кванти інших напрямів не здатні забрати помітну частину енергії, що запасила в активному середовищі.
Виходить з лазера хвиля має майже плоский фронт, високий рівень просторової і тимчасової когерентності по всьому перерізу пучка.
У лазерах як активне середовище застосовують різні гази та газові суміші ( газові лазери), кристали та скла з домішками певних іонів ( твердотільні лазери), напівпровідники ( напівпровідникові лазери).
Способи збудження (у системі накачування) залежить від типу активного середовища. Це або спосіб передачі енергії збудження в результаті зіткнення частинок у плазмі газового розряду (газові лазери), або передача енергії опроміненням активних центрів некогерентним світлом від спеціальних джерел (оптична накачування в твердотільних лазерах), або інжекція нерівноважних носіїв через р- n - Перехід, або збудження електронним пучком, або оптичне накачування (напівпровідникові лазери).
В даний час створено надзвичайно багато різних лазерів, що дають випромінювання у широкому діапазоні довжин хвиль (200¸ 2·10 4 нм). Лазери працюють із дуже короткою тривалістю світлового імпульсу t » 1·10 -12 с можуть давати і безперервне випромінювання. Щільність потоку енергії лазерного випромінювання становить величину близько 1010 Вт/см 2 (інтенсивність Сонця становить лише 7 10 3 Вт/см 2).
Перехід збудженої системи (атома, молекули) з верхніх енергетичних рівнів на нижні може відбуватися спонтанно, або індуковано.
Спонтанним називається мимовільний (самостійний) перехід, зумовлений лише факторами, що діють усередині системи та властивими їй. Ці фактори визначають середній час перебування системи у збудженому стані; згідно зі співвідношенням Гейзенберга (див. § 11),
Теоретично цей час може мати різні значення в межах:
тобто залежить від властивостей системи - розкиду значень енергії збудженого стану (за характеристику системи зазвичай приймається середнє значення часу перебування у збуджених станах залежно від середнього значення Слід врахувати також вплив на систему навколишнього простору («фізичного вакууму»), в якому навіть відсутність електромагнітних хвиль існує, згідно з квантовою теорією, флуктуювальне поле («вакуумні флуктуації»);
Індукованим називається вимушений (стимульований) перехід в енергетично нижчий стан, викликаний якимось зовнішнім впливом на збуджену систему: тепловими зіткненнями, взаємодією з сусідніми частинками або електромагнітною хвилею, що проходить через систему. Однак у літературі встановилося вужче визначення: індукованим називається перехід, викликаний тільки електромагнітною хвилею, причому тієї ж частоти, яка випромінюється системою при цьому переході (поля інших частот не резонуватимуть із власними коливаннями системи,
тому їх стимулююча дія буде слабкою). Оскільки «носієм» електромагнітного поля є фотон, то з цього визначення випливає, що при індукованому випромінюванні зовнішній фотон стимулює народження нового фотона такої ж частоти (енергії).
Розглянемо найважливіші особливості спонтанного та індукованого переходів однією простому ідеалізованому прикладі. Припустимо, що в об'ємі V із дзеркальними стінками є однакових систем (атомів, молекул), з яких у початковий фіксований момент часу деяка частина переведена в збуджений стан з енергією сумарна надлишкова енергія в цьому обсязі дорівнюватиме Для спонтанних переходів характерно наступне:
1) процес переходу збуджених систем у нормальні стани (тобто випромінювання надлишкової енергії розтягнутий у часі. Одні системи перебувають у збудженому стані малий час для інших цей час більший. Тому потік (потужність) випромінювання буде з часом змінюватися, досягне максимуму в деякий момент і потім асимптотично убувати до нуля. Середнє значення потоку випромінювання буде рівним.
2) момент часу, коли починається випромінювання однієї системи, і місцезнаходження цієї системи зовсім не пов'язані з моментом випромінювання та місцезнаходженням іншої, тобто між випромінюючими системами немає «узгодженості» (кореляції) ні в просторі, ні в часі. Спонтанні переходи є цілком випадковими процесами, розкиданими у часі, за обсягом середовища проживання і за всілякими напрямами; площини поляризації та електромагнітних випромінювань від різних систем мають ймовірнісний розкид, тому самі випромінювачі не є джерелами когерентних хвиль.
Для характеристики індукованих переходів припустимо, що в аналізований обсяг V в момент часу вводиться один фотон з енергією, точної рівної Є деяка ймовірність того, що цей фотон при одному з зіткнень з незбудженою системою поглинеться нею; ця ймовірність буде врахована нижче в загальному випадку (коли в об'ємі V відбувається взаємодія аналізованих систем з фотонним газом). Вважатимемо, що фотон не поглинається, багаторазово відбивається від стінок судини і при зіткненнях з збудженими системами стимулює випромінювання таких самих фотонів, тобто викликає індуковані переходи. Однак кожен новий фотон, що з'явився при цих переходах, буде також збуджувати індуковані переходи. Так як швидкості фотонів великі, а розміри об'єму V малі, то знадобиться дуже короткий час для того, щоб всі збуджені системи, що були в початковий момент часу, були змушені перейти в нормальний стан. Отже, для індукованих переходів характерно таке:
1) час необхідний випромінювання надлишкової енергії може бути регульовано і зроблено дуже малим, тому потік випромінювання може бути дуже великим;
2) крім того, фотон, що викликав перехід, і фотон такої ж енергії (частоти), що з'явився при цьому переході, знаходяться в однаковій фазі, мають однакові поляризацію та напрямок руху. Отже електромагнітні хвилі, що утворюються при індукованому випромінюванні, когерентні.
Однак не кожне зіткнення фотона з збудженою системою призводить до її переходу в нормальний стан, тобто ймовірність індукованого переходу в кожному акті взаємодії фотона з системою не дорівнює одиниці. Позначимо цю можливість через Припустимо, що на даний момент часу в об'ємі V є фотонів і кожен з них в середньому може мати зіткнень в одиницю часу. Тоді число індукованих переходів в одиницю часу , отже, і число фотонів, що з'явилися, в обсязі V буде дорівнює
Позначимо число збуджених систем обсягом V через Число зіткнень фотонів з збудженими системами буде пропорційно концентрації таких систем, тобто.
де шинд враховує всі інші фактори, крім числа фотонів та числа збуджених систем
Збільшення числа фотонів обсягом V відбуватиметься також і внаслідок спонтанного випромінювання. Імовірність спонтанного переходу є зворотна величина середнього часу перебування у збудженому стані Отже, число фотонів, що з'являються в одиницю часу внаслідок спонтанних переходів, буде рівним
Зменшення числа фотонів в об'ємі V відбуватиметься внаслідок їх поглинання незбудженими системами (при цьому збільшуватиметься кількість збуджених систем). Так як не кожен «акт взаємодії» фотона з системою супроводжується поглинанням, то слід ввести ймовірність реалізації поглинання Число столкг нововведень в одиницю часу одного фотона з незбудженими системами буде пропорційно числу таких систем тому за аналогією з (2.83) можна для зменшення фотонів написати:
Знайдемо різницю між інтенсивностями процесів випромінювання та поглинання фотонів, тобто процесів переходу систем з вищих рівнів на нижчі та назад:
Залежно від значення в обсязі, що розглядається, можуть відбуватися наступні зміни;
1) якщо то в цьому обсязі відбуватиметься поступове зменшення густини фотонного газу, тобто поглинання променистої енергії. Необхідною умовою для цього є мала концентрація збуджених систем.
2) якщо в системі встановиться рівноважний стан при певної певної концентрації збуджених систем і щільності променистої енергії;
3) якщо (що можливо при великих значеннях то в обсязі, що розглядається, буде відбуватися збільшення щільності фотонного газу (променистої енергії).
Очевидно, що зменшення або збільшення енергії випромінювання буде мати місце не тільки в ізольованому обсязі з стінками, що відбивають, але і в тому випадку, коли потік монохроматичної променистої енергії (потік фотонів частотою поширюється в середовищі, що містить збуджені частки надмірною енергією
Знайдемо відносну зміну числа фотонів, що припадає на один фотон і одну систему; скориставшись (2.86), (2.83), (2.84) та (2.85), отримаємо
Зауважимо, що у рівноважному стані (яке можливе лише за позитивної температури відповідно до формули (2.42), наведеної в § 12, відношення дорівнює
Статистична сума в знаменнику в даному випадку складається тільки з двох доданків, що відповідають: 1) системам у нормальних станах з енергією та 2) збудженим системам про енергію З цієї формули випливає, що при нескінченно великій позитивній температурі Це означає, що шляхом підвищення температури неможливо досягти стану, у якому число збуджених систем було більше числа невозбужденных. було більше, ніж Мневозб, т. е. необхідно, щоб число фотонів, що з'являються при переходах на нижчі рівні, було більше числа фотонів, що поглинаються за той самий час). Вище було зазначено, що такий стан не може бути досягнутий підвищенням температури. Тому для отримання середовища, здатного посилювати проходить через неї променистий потік, необхідно використовувати інші (не температурні) способи збудження атомів та молекул.
Можна показати, що може бути більше (тобто N) тільки при негативній температурі, тобто при нерівноважному стані середовища. Якщо, крім того, цей нерівноважний стан є метастабільним (див. ч. II, § 3), то можна за допомогою відповідного зовнішнього впливу викликати стрибкоподібний перехід до рівноважного стану звільненням надлишкової енергії за дуже короткий час. Ця ідея лежить в основі роботи лазерів.
Стан середовища, у якому верхні енергетичні рівні мають великі коефіцієнти заповнення проти нижчими, називається инверсионным. Так як у цьому стані середовище не послаблює, як завжди, а посилює випромінювання, що проходить через неї, то у формулі для зміни інтенсивності променистого потоку в середовищі
коефіцієнт буде негативною величиною (отже показник ступеня - позитивною величиною). З огляду на це середовище в інверсійному стані називають середовищем з негативним показником поглинання. Можливість отримання таких середовищ, їх властивості та використання для посилення оптичного випромінювання були встановлені та розроблені В. А. Фабрикантом та його співробітниками (1939-1951).