A. Лазеры

Лазеры и их применение в технике

Лазер — это квантовый генератор электромагнитных волн в оптическом диапазоне (видимом). Квантовый генератор — источник света, работающий на принципе вынужденного излучения.

Оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: активной среды и резонатора.

В первых лазерах активной средой был кристалл рубина (Аl₂O₃) с примесью около 0,05 % хрома (рис. 20.12). Этот основной элемент лазера обычно имеет форму цилиндра /. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны, на них нанесен слой серебра. Одна из зеркальных поверхностей полупрозрачная: 92 % светового потока отражается от нее и около 8 % светового потока пропускается ею.

Рубиновый стержень помещен внутри импульсной ксеноновой спиральной лампы 2, питаемой импульсами высокого напряжения от батареи конденсаторов емкостью до 10⁴ мкФ, заряжаемой до напряжения в несколько тысяч вольт. При разряде через лампу конденсаторы батареи отдают энергию в сотни тысяч джоулей. Длительность вспышки составляет 10^-3 с, а мощность лампы превышает 10⁷ Вт. Лампа является источником возбуждающего излучения. Атомы хрома, поглощая излучение с длиной волны 560 нм, содержащееся в спектре ксеноновой лампы, переходят с основного уровня W₁ на возбужденный уровень W₃ (см. рис. 20.11).

Рис. 20.11

Время жизни атомов хрома на возбужденном уровне W₃ мало. Для переходов \(~W_3 \to W_1\) оно составляет 10^-5 с, а для перехода \(~W_3 \to W_2\) оно меньше 10^-7 с. Поэтому большая часть возбужденных атомов с уровня W₃ совершает переходы на второй возбужденный уровень W₂.

Время жизни атома хрома на уровне W₂ сравнительно велико — порядка 10^-3 с. Этот уровень является метастабильным. Если мощность лампы-вспышки достаточно велика, то населенность метастабильного уровня окажется больше, чем населенность основного уровня. При достижении инверсной населенности уровней кристалл рубина становится активной средой.

Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой. Соответственно используемую для этого импульсную ксеноновую лампу называют лампой накачки.

Достаточно одному атому хрома совершить спонтанный переход с метастабильного уровня W₂ на основной W₁ с испусканием фотона с частотой \(\nu = \frac{(W_2 - W_1)}{h},\) которой соответствует длина волны красного света \(\lambda\)= 694,3 нм, как возникает лавина фотонов. Она вызвана индуцированным излучением атомов хрома, находящихся в метастабильном состоянии. Если направление вылета первичного фотона было перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то из полупрозрачного зеркала резонатора вырывается монохроматическое, когерентное и остронаправленное излучение с длиной волны \(\lambda\) = 694,3 нм.

Лазерные источники обладают рядом преимуществ:

1) они создают очень узкие пучки света;

2) излучаемый ими свет обладает исключительной монохроматичностью с постоянной фазой волны;

3) лазеры — очень мощные источники света (\(~\sim 10^{13}\) Вт на 1 см²).

Лазерные источники нашли широкое применение в технике: для связи

(в космическом пространстве), для испарения материалов в вакууме, для сварки, в хирургических операциях, для получения объемного изображения (в голографии), в военном деле (светолокаторы и др.). Они вызывают различные химические реакции; лазеры используют для осуществления управляемой термоядерной реакции и др.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 586-587.