Изучение дифракции и поляризации лазерного излучения

Предварительно следует ознакомиться с пп. 3.1-3.2, 3.4-3.5,

5.1-5.4.1.

Спонтанное излучение некогерентно. В нем представлены все возможные фазы и частоты, направления колебаний и направления распространения света. Такое излучение дают обычные источники света - лампы накаливания, газоразрядные трубки, люминесцентные лампы и дуги. Однако можно создать и когерентно излучающие источники, в которых атомы излучали бы согласованно, т.е. с одинаковыми частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения света. Такие источники называются оптическими квантовыми генераторами или лазерами. В настоящее время создано большое количество разнообразных типов лазеров, широко применяющихся в науке и технике. Дифракция и поляризация одного из них (гелий-неонового) изучается в данной работе.

Заселенность энергетических уровней. Самопроизвольные и индуцированные переходы

В обычных условиях, когда среда находится в состоянии термодинамического равновесия, распределение атомов по энергетическим состояниям подчиняется закону Максвелла - Больцмана

где Nj - число атомов с энергией ?, при температуре Т.

Если имеется два возможных энергетических уровня или состояния с энергиями Еп и Е,„, то при Еп > Е,„ число атомов Nn меньше числа Nm, т.с. выполняется соотношение

С увеличением энергии состояния заселенность уровня (число атомов на нем) уменьшается. Схематически эта ситуация изображена на рис. 6.6, а.

Рис. 6.6

Если каким-то образом удается перевести на уровень с большей энергией большее число атомов, чем находится на уровне с меньшей энергией, то такое распределение атомов называется инверсным (рис. 6.6, б).

С нижнего уровня на верхний, по закону сохранения энергии, переходы возможны только с поглощением энергии. Такие переходы называются вынужденными. Если атом поглощает квант энергии и переходит на более высокий уровень, то это резонансное поглощение hv = En —Em(рис. 6.7, б). С верхнего на нижний уровень атом переходит самопроизвольно (спонтанно) в более низкое энергетическое состояние за короткий промежуток времени т =10 8 с. При этом атом испускает фотон - квант электромагнитного излучения или волновой цуг с энергией, определяемой по формуле Планка

где И - постоянная Планка, v - частота излучения.

Спонтанный переход показан на рис. 6.7, а. Частота колебаний в испущенном цуге связана со значениями энергий Еп и Ет следующим образом:

Рис. 6.7

Самопроизвольные переходы происходят только в одном направлении. Вследствие конечной величины времени жизни атома в возбужденном состоянии длина волны А испущенного фотона (волнового цуга) имеет разброс значений величиной ДА..

Кроме спонтанных переходов, возможны вынужденные переходы с верхнего на нижний уровень под действием электромагнитного излучения. Если атом уже находился на возбужденном уровне, падающий фотон вызывает испускание еще одного фотона (рис. 6.7, в). Это дополнительное излучение, состоящее из большого количества одинаковых фотонов, называется индуцированным или вынужденным. Оно обладает важными свойствами:

  • 1. Частота дополнительных фотонов равна частоте падающего фотона.
  • 2. Поляризация, фаза, направление индуцированного излучения совпадают с параметрами падающего излучения.

Таким образом, индуцированное и падающее на вещество излучения когерентны.

В 1939 году В.А. Фабрикант предположил, что можно создать среду, в которой число возбужденных атомов будет превышать число невозбужденных, т.е. будет иметь место инверсная заселенность уровней. Такая среда называется активной средой. Из всего вышесказанного следует, что активная среда обладает способностью когерентно усиливать проходящий через нее свет. Этот принцип усиления был использован в оптических квантовых генераторах - лазерах. Существует много материалов, применяемых в качестве активных сред в лазерах. Сюда относятся различные диэлектрические кристаллы, стекла, газы, полупроводники и даже плазма. В данной лабораторной работе используется гелий-нсоновый лазер.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >