авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский

государственный технологический университет «Станкин»

Кафедра физики

Курс лекций «Взаимодействие излучения с веществом»

Аспирантский курс «по выбору».

Специальность 01.04.04 «Физическая электроника».

Подготовил профессор кафедры «Физика», д.ф.-м.н.

Стрекалов В.Н.

Москва 2012 1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ.

ПЛАН ЛЕКЦИЙ.

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………….3 Лекция 1. Общие характеристики электромагнитных волн (ЭМВ)………………....5 Лекция 2. Воздействие на среду слабого ЭМИ. Геометрическая оптика….……… Лекция 3. Линейные эффекты воздействия на среду слабого ЭМИ……………… Лекция 4. Излучение в неоднородных и движущихся средах……………………… Лекция 5. Интерференция и дифракция слабых ЭМВ …………………………….. Лекция 6. Теория фотонов Эйнштейна, е экспериментальные подтверждения… Лекция 7. Принципы работы лазеров………………………………………………… Лекция 8. Основные типы лазеров и их особенности……………………………… Лекция 9. Резонансные и нерезонансные процессы в лазерных полях…………… Лекция 10. Линейные и нелинейные взаимодействия излучения с веществом…… Лекция 11. Законы двухфотонного поглощения……………………………………. Лекция 12. «Силовое» и «спектроскопическое взаимодействие ЭМИ с вещество.. Лекция 13. Эффекты самовоздействия лазерного излучения ……………………... Лекция 14. Самодифракция, выгорание инверсии, самопрозрачность, 2 – импульсы …………………………………………………………………. Лекция 15. Самодефокусировка, самофокусировка…………………….…………... Лекция 16. Генерация гармоник и смежные вопросы. Нелинейная интерференция……………………………………………………………. Лекция 17. Тепловое воздействие лазерного излучения …………………………. Лекция 18. Технологические применения лазерного излучения (обзор)…………. Заключение……………………………………………………………………………... Вопросы к экзамену ВВЕДЕНИЕ Физика знает несколько типов излучения. Все они воздействуют на вещество, вызывая разнообразные эффекты, имеющие как чисто теоретическое, так и экспериментальное и прикладное значение. Можно указать электромагнитное излучение (ЭМИ), радиоактивные излучения различных типов, излучения, полученные в ускорителях микрочастиц и некоторые другие типы излучения. В прикладном плане наибольшее распространение получило использование ЭМИ. Но даже эта (весьма быстро развивающаяся область физики), слишком обширна для того, чтобы е можно было рассмотреть в одном лекционном курсе. Мы сосредоточим внимание на классическом и квантовом описании взаимодействия электромагнитных волн (ЭМВ), причем ограничимся «видимым» диапазоном длин волн, лишь немного затрагивая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона. Длинные ЭМВ, вакуумный ультрафиолет, рентгеновские и -лучи не изучаются.

В этом, ограниченном диапазоне, действие ЭМИ на вещество разнообразно и использует различные, иногда очень сложные в математическом описании, методы.

Можно указать три основных подхода к описанию наблюдаемых или предсказываемых эффектов. Это «старый», классический метод описания систем, полуклассический метод, когда ЭМИ рассматривается как классическая волна, а вещество – как квантовая система и, наконец, последовательно квантовое описание.

В последнем случае требуется знакомство с основами квантовой электродинамики и используемыми там математическими методами (упомянем лишь методы вторичного квантования, диаграммную технику, метод функций Грина, использование релятивистских методик). Эти методы должны изучаться в специализированных курсах, соответствующих узкой специализации аспиранта.

Возможно иное деление эффектов воздействия ЭМИ на вещество. Во-первых, при детальном описании экспериментов и взаимодействий ЭМВ с веществом необходимо учитывать статистические свойства излучения и среды, т.е. вводить функции распределения участвующих в процессе взаимодействия частиц (подобных функциям распределения Максвелла, Больцмана, Бозе-Эйнштейна, Ферми-Дирака). Но эти функции не являются равновесными, а учитывают отклонения среды и ЭМИ от равновесия из-за их взаимодействия. Такие функции распределения называются неравновесными, и для их получения необходимо получить и решить квантовые кинетические уравнения. При последовательном описании обсуждаемых явлений уравнения должны выводиться (следовать) из основополагающих принципов квантовой механики. Это сложная область, которая находится еще в стадии развития, и мы не будем затрагивать е.

Во-вторых, использование мощного электромагнитного излучения приводит к появлению нелинейных эффектов, которые не заметны в не очень сильных полях.

Теория таких эффектов развивается уже почти полвека, полученные результаты широко используются, однако описание таких эффектов встречает определенные трудности. В частности, возникают проблемы, связанные с формулировкой исходных уравнений, не говоря уже о проблемах их математического решения.

Отметим лишь, что известные уравнения Максвелла, лежащие в основе всей классической электродинамики (и, естественно, в основе описания взаимодействия «света» с веществом) являются линейными, то есть в принципе не могут учитывать нелинейных процессов. Приходится строить феноменологические (учитывающие экспериментальные результаты) теории. Они не совсем корректны. Мы познакомимся с результатами «нелинейных» опытов, которые дают важнейшие технологические, практические и исследовательские результаты, однако будем использовать простое описательное изложение.

Большое значение имеет возможность получения очень коротких лазерных импульсов, взаимодействие которых с веществом обладает специфическими свойствами и сейчас активно используется как в исследованиях, так и в новых технологиях.

За рамками курса останутся основные вопросы химического действия ЭМИ, взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами, вопросы самоорганизации вещества в электромагнитных полях и, к сожалению, многое другое.

Лекция 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

Современной физике хорошо известно, что в Природе существуют электрически заряженные частицы (электроны, протоны, позитроны…). Но это аксиоматическое знание. Что такое электрический заряд – неизвестно. Мы знаем величины зарядов, законы их взаимодействия, но почему заряды имеют именно такие величины и какова их физическая природа – до сих пор неизвестно. Обычно величина заряда (она может быть как больше, так и меньше нуля) обозначается символом q или Q ;

в международной системе единиц СИ заряды измеряются в Кулонах (Кл).

Существуют элементарные заряды, численно равные 1,6 10 19 Кл. Это означает, что величина заряда квантуется;

полный заряд равен их алгебраической сумме, Q qi. (1) i Если заряды находятся в электроизолированой системе (не могут войти в систему или выйти из не), то Q const, что выражает закон сохранения электрических зарядов.

Если размеры тел, на которых находятся заряды, малы по сравнению с расстояниями между телами, то тела считаются материальными точками, а заряды называются точечными.

Точечные заряды взаимодействуют друг с другом согласно закону Кулона:

qq F21 k 0 1 2 2 e12, (2) r где F21 – сила, действующая на второй заряд со стороны первого заряда, величина Нм, причем 0 – называется электрической постоянной, r12 k0 9 10 4 0 Кл радиус вектор, проведенный из первого заряда во второй заряд (это имеет смысл только в том случае, если заряды являются точечными), а единичный вектор (орт), r указывающий направление силы, e12.

r Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются.

Если зарядов несколько, или если они не могут рассматриваться как точечные, то сила Кулона выражается интегралом или суммой, которые вычисляются по всем «элементарным зарядам», которые рассматриваются как точечные.

Каждый заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое также является аксиоматическим понятием. Напряженность вводят следующим образом. Опыт показывает, что при взаимодействии зарядов на пробный заряд q со стороны всех других зарядов, действует сила F ~ q. Для получения равенства в эту пропорцию необходимо ввести коэффициент пропорциональности, который, очевидно, должен иметь векторный характер: F qE. После этого можно сделать предположение, что q 0 и разделить обе части равенства на q. Если, далее, учесть, что сила зависит от места расположения пробного заряда, то можно получить окончательное выражение для напряженности электрического поля:

F (r ) E (r ). (3) q По определению, напряженность электрического поля E – это силовая характеристика системы зарядов.

Напряженность поля измеряется в единицах вольт на метр (В/м).

Отметим, что в формуле (3) предполагается, что заряды, формирующие поле, неподвижны (этот раздел физики называется электростатикой).

Формула (3) имеет важное значение – она утверждает принцип близкодействия.

Он состоит в том, что заряды взаимодействуют не непосредственно друг с другом (на большом расстоянии, как может показаться из формулы (2), и это было содержанием принципа дальнодействия), а через электрическое поле, имеющееся во всем пространстве и, в частности, поблизости от места расположения заряда.

При этом это утверждение относится не только к неподвижным зарядам, но и к движущимся зарядам, где возникает так называемое запаздывание взаимодействия (изменения напряженности электрического поля распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде). Именно запаздывание взаимодействия, наблюдаемое экспериментально, определило выбор принципа близкодействия.

Очень важным обстоятельством является также факт, что электрически нейтральная система также может создавать электрическое поле. Простейшим примером служит электрическое поле диполя (два равных по величине заряда противоположных знаков, расположенных на некотором расстоянии друг от друга).

Есть и другие нейтральные системы (квадруполи, мультиполи), создающие не нулевые электрические поля.

Если в системе имеются свободные (или подвижные) заряды, то в системе возникает электрический ток. Электрический ток – это упорядоченное движение подвижных зарядов, вызванное любой физической силой. Если упорядоченное движение возникает под действием электрических сил, то ток называют током проводимости.

Согласно определению, силой тока I называют производную dQ I. (4) dt В «огрубленной» форме (4) показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Сила тока измеряется в амперах (А). Ток может быть постоянным и переменным (в последнем случае ток может быть синусоидальным и импульсным) Формула (4) используется для однородных систем. В неоднородных системах (например, при описании тока в плазме или в любом неоднородном проводнике), удобнее использовать плотность тока j r, t. Согласно определению, плотность тока связана с элементом тока dI, протекающим через ориентированный элемент поверхности dS ndS, где n - орт внешней нормали к элементу dS, так что dI j dS, (5) и, очевидно, полный ток I j dS. (6) S Если поверхность S замкнута, то полный ток через не равен нулю.

Эксперименты Эрстеда показывают, что возникновение электрического тока любой природы приводит к возникновению в окружающем пространстве магнитного поля, силовые линии которого замкнуты. Неподвижные заряды магнитное поле не создают. Как и понятие «электрическое поле» понятие «магнитное поле» аксиоматично и не имеет физического объяснения. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией Br, t.

Переменные электрические и магнитные поля можно создать, например, с помощью электрического диполя, изменяющегося во времени. При этом оказывается, что создаваемые поля неразрывно связаны друг с другом. Если диполь осциллирует с определенной частотой, то с той же частотой изменяются и E (r, t ), и B(r, t ). Различие состоит в том, что колеблющиеся поля сдвинуты по фазе. Когда электрическое поле достигает максимума, магнитная индукция обращается в нуль, и наоборот. При этом энергия, затрачиваемая диполем на создание полей, распространяется в пространстве. Возникает электромагнитная волна (ЭМВ).

Частоты ЭМВ могут охватывать весь диапазон частот от нуля (например, ЭМВ в проводах) до весьма больших (гамма излучение;

бесконечных частот в Природе не бывает).

Опыты показали, что в свободном пространстве ЭМВ поперечны, то есть векторы E (r, t ) и B(r, t ) перпендикулярны друг другу. В большинстве случаев, относящихся к ЭМВ в свободном пространстве E (r, t ) и B(r, t ) можно охарактеризовать волновым вектором, указывающим направление распространения волны. Волновой вектор перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы E (r, t ) и B(r, t ). Таким образом, в свободном пространстве ЭМВ поперечны. Чаще всего ЭМВ имеют линейную поляризацию (направления E (r, t ) и B(r, t ) постоянны во времени). Но бывают случаи, когда эти векторы согласованно поворачиваются вокруг волнового вектора – это случай круговой поляризации.

Поляризация может так же быть эллиптической. Более того, ЭМВ могут быть «неполяризованными». Это случай, когда волна образуется большим количеством одинаковых осцилляторов (атомов), каждый их которых в данный момент создает волну определенной поляризации. В следующий момент поляризация изменяется, и если бы мы могли проводить регистрацию средней поляризации за достаточно большой интервал времени, то она обратилась бы в нуль. Обычно все же регистрируют интенсивность волны, пропорциональную квадрату напряженности E (r, t ), в результате чего происходит «выпрямление» поляризации и интенсивность света остается практически постоянной. Так, естественный свет лампы накаливания или излучение Солнца практически неполяризованы. Это обусловлено тем, что ЭМВ создаются различными атомами и одновременно имеется несколько (например, линейных) поляризаций.

Если волны создаются в волноводах или резонаторах (это случаи «несвободного» пространства), то соотношения между всеми тремя векторами бывает иным.

Но даже в свободном пространстве описание и суть ЭМВ бывают различными.

Так, например, ЭМВ может считаться плоской или сферической только в волновой зоне. Это область пространства, удаленная от осциллирующего диполя на расстояние, много большее, чем размер диполя и длина волны электромагнитной волны. Что происходит в «ближней» зоне можно определить с помощью сложных методов, рассматривая поля от отдельных колеблющихся зарядов.

Указанная проблема «дальней зоны» умалчивается при описании испускания ЭМВ (света) атомами. Дело в том, что длины волн в этом случае значительно больше характерных размеров атома. Поэтому волну, как таковую, можно рассматривать только вдали от атома. Это создает непреодоленные до сих пор проблемы математического описания процесса как испускания атомом света, так и его поглощения. Похожая проблема возникает при описании взаимодействия ЭМВ с веществом, когда среднее расстояние между отдельными атомами (молекулами) много меньше длины волны.

Проблемой является также описание ЭМВ в дальней (волновой) зоне.

Поскольку длина волны света значительно больше размера атома, волну следует считать сферической. Но в подавляющем большинстве теоретических работ, свет описывается как плоская волна с определенным волновым вектором. Напомним, что при первичном описании фотонов А. Эйнштейном были введены «Уравнения Эйнштейна для фотонов», именно, ф и pф k, (7) где импульс фотона связан как раз с волновым вектором ЭМВ k. Возможно, что проблема разрешается при учете соотношения неопределенностей Гейзенберга, но детальное изучение вопроса неизвестно.

Наиболее просто описание ЭМВ в вакууме. При распространении ЭМВ в различных средах необходимо учитывать свойства этих сред, даже если свет не изменяет эти свойства.

ЭМВ вызывает смещение электронов относительно положительных зарядов, приводя к поляризации вещества. Это первый эффект, который надо учитывать при изучении взаимодействия ЭМИ с веществом. В результате поляризации возникает относительная диэлектрическая проницаемость данной среды. С проницаемостью связан коэффициент преломления n. У немагнитных соединений n, в магнетиках – n, – магнитная проницаемость.

Теория коэффициента преломления сложна даже в простых средах, но разработана достаточно хорошо. Она основывается на методах квантовой статистической физики и использует понятие неравновесных функций распределения. В металлических, а также в анизотропных средах теория и n еще более сложная. Существуют специальные разделы оптики, в которых проводится обсуждение этих вопросов.

Появление коэффициента преломления и влияние среды на распространение ЭМВ сказывается в изменении скорости распространения волн. Со времен Ньютона известно, что скорость ЭМВ в среде c cср, (8) n где с – скорость ЭМВ или света в вакууме.

В естественных условиях n 1 (равенство единице выполняется только в вакууме). Сейчас сконструированы искусственные среды, у которых n 1. Это сложные модели, не наблюдаемые в реальных равновесных средах.

Так же со времен Ньютона известно, что среды обладают дисперсией, то есть коэффициент преломления зависит от частоты волны. В результате скорость ЭМВ также зависит от частот волн. Именно благодаря этому призма, преломляя «белый»

свет, раскладывает его в спектр, создавая на экране цветовые полосы.

Для импульсных ЭМВ, особенно импульсов малой длительности, это приводит к деформации формы импульса, что нарушает передаваемую импульсом информацию. Так, у коротких импульсов появляются высокочастотные составляющие, для которых свойства среды близки к свойствам вакуума. Другими словами, часть импульса распространяется в среде со скоростью с, что приводит к формированию так называемого предвестника – передней части импульса, обгоняющей остальные части.

Если же среды обладают некими специфическими свойствами, например, являются магнетиками, то может возникнуть вращение поляризации. Если же среда имеет заметную анизотропию свойств (зависимость, например, коэффициента преломления от направления), то скорости света становятся разными для разных его поляризаций, возникает двулучепреломление.

Более сложные процессы (мы будем изучать их позже) возникают в нелинейных средах, в которых ЭМВ изменяют все или некоторые параметры вещества.

Электромагнитные волны, распространяясь в веществе, поглощаются. Они так же могут преломляться на границах раздела разных сред.

Важными характеристиками ЭМВ являются спектральный состав волн, степень когерентности, расходимость или направленность, а также интенсивность – мгновенная или средняя. Важнейшими свойствами ЭМВ, как и любых других волн, являются их способности интерферировать и дифрагировать.

ЭМВ (за исключением стоячих волн) переносят энергию. Энергетической характеристикой ЭМВ является интенсивность. Это энергия, переносимая волной за единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны. Отсюда видно, что размерность интенсивности I. С точностью до единичного размерного коэффициента мгновенная интенсивность I (r, t ) E 2 (r, t ). (9) Интегрируя (усредняя) это соотношение по времени, и деля на время усреднения, находят среднюю интенсивность, которая для плоских волн не зависит ни от времени, ни от координат:

I I (r, t )dt, (10) - время усреднения, которое равняется времени наблюдения (например, выдержке фотоаппарата), однако в случае монохроматических волн обычно принимают равным периоду волны.

В формулы (10) и (11) входит электрическая составляющая ЭМВ, поскольку именно с ней связана основная часть переносимой волной энергии. Магнитная составляющая обычно не учитывается.

Интенсивность – скалярная величина. Для того, чтобы указать, в каком направлении переносится энергия (вообще-то перенос происходит в направлении волнового вектора), вводят вектор Умова-Пойнтинга:

P EH, (11) скобки обозначают векторное произведение.

Если учесть численную связь электрической и магнитной составляющих ЭМВ, то окажется, что модуль вектора Умова-Пойнтинга равен интенсивности волны.

Лекция 2. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СРЕДУ СЛАБОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА.

Лекция посвящена главным особенностям взаимодействий с веществом слабых некогерентных электромагнитных волн. Причина обсуждения этого материала заключается в том, что в сильных и когерентных лазерных полях имеются точно такие же эффекты, для которых когерентность не имеет особого значения. Удобно вначале познакомиться со «старой» теорией, а потом перейти к более новым эффектам, специфичным для лазерного излучения. Кроме того, можно условно выделить «старые» эффекты, которые относятся к действию «классического» света или ЭМВ видимого диапазона и эффекты, связанные с ЭМВ других диапазонов частот. А также «новые» эффекты в некогерентных полях, имеющих квантовый характер. Рассмотрим эти эффекты последовательно.

Основное свойство света (ЭМВ вообще) было подмечено в древней Греции. Это – прямолинейное распространение света в однородных системах.

Доказательством служила возможность получения резких теней от препятствий или отверстий, расположенных вблизи от экрана, на котором проводилось наблюдение.

Можно было представить, что от выбранной точки препятствия до соответствующей точки тени натянута нить. Такую нить позже стали называть световым лучом. Возник термин лучевая или геометрическая оптика. Этот термин используется и сейчас.

На эффекте прямолинейного распространения света действовала давно известная камера-обскура. Она представляла собой прямоугольный ящик небольших размеров, в передней стенке которой имелось маленькое отверстие.

Прямолинейно распространяющийся свет от предмета, находящегося перед камерой, проходил через отверстие и создавал на задней стенке его перевернутое изображение. Если поместить туда лист бумаги, то можно было сделать точную копию предмета. Аналогичного результата можно было добиться, заменяя заднюю стенку матовым стеклом. После изобретения фотопластинок, задняя стенка заменялась такой пластинкой, что позволяло создавать «безлинзовый фотоаппарат».

Камера-обскура позволяла создавать изображения, свободные от искажений, всегда вносимых линзами. Основным недостатком такого «фотоаппарата» была необходимость очень длительных «выдержек».

К области геометрической оптики относятся известные в древности законы отражения и преломления света. Их три.

Первый закон утверждает, что угол падения светового луча на плоскую поверхность раздела двух различных сред равен углу отражения 1 (см. рис. 1).

Это зеркальное отражение.

Второй закон утверждает, что если имеется три луча, падающий, отраженный и преломленный, то они лежат в одной плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности и проходящей через точку падения.

Третий закон, закон преломления Снеллиуса, связывает угол падения с углом преломления и коэффициентами преломления первой n1 и второй n2 сред (см. рис. 1):

n1 sin n2 sin. (12) Указанные законы справедливы для всех электромагнитных волн, за исключением самых коротких рентгеновских и - лучей, для которых понятие плоской границы раздела теряет смысл.

Интересный случай отражения ЭМВ на дискретных объектах (например, на атомах или ионах кристаллической решетки, не рассматриваемой как сплошная зеркальная поверхность) представляет закон Брэгга. Он относится, в частности, к отражению рентгеновских лучей (1913). Брэгг показал, что наилучшее отражение n n Рис. 1. Законы отражения и преломления ЭМВ.

возникает, если 2d sin n, (13) где d – расстояние между кристаллическими (атомными) плоскостями, – угол падения лучей, имеющих длину волны, n – целое число.

Под произвольным углом рентгеновские лучи отражаются слабо, или не отражаются совсем.

Известны научные работы, в которых изогнутые кристаллы используются как линзы (правда, с малой оптической силой) для фокусирования рентгеновских лучей.

Выше рассматривалось отражение и преломление волн на плоской прозрачной поверхности. Надо иметь в виду, что те же законы справедливы и для небольших участков слабо искривленных поверхностей. Совсем иная картина имеет место при отражении ЭМВ от неровной, шероховатой поверхности. В этом случае один падающий луч может, отражаясь, создать несколько отраженных лучей, лежащих в разных плоскостях и образующих некоторое их угловое распределение, то есть некоторую угловую диаграмму направленности. Предельно шероховатая поверхность со случайным распределением выступов и впадин может быть названа матовой поверхностью. Она отражает ЭМВ равномерно во все стороны n n2 n n Рис. 2. Преломление луча в призме. Детали построения опущены и углы преломления выбраны произвольно. Однако отмечена важнейшая деталь: преломленный луч отклоняется к основанию призмы.

Законы отражения и преломления волн позволяют определять ход лучей в различных оптических системах. Например (см. рис. 2), в призме (без учета реальных углов падения и преломления).

Интересным эффектом, возникающим при преломлении ЭМВ в призме или другой системе (когда волна переходит из более плотной оптической среды с n1 в менее плотную с n, n1 n ) является полное внутреннее отражение.

Полное внутреннее отражение используется в оптических и СВЧ волноводах (имеется красивый опыт, в котором луч лазера вводится внутрь вытекающей струйки воды и распространяется внутри струи, не выходя за е пределы). На этом же эффекте созданы «оборачивающие» призмы. С их помощью можно перевернуть изображение. Пояснение эффекта полного внутреннего отражения см. на рисунках 3 и 4.

n n 1 Рис. 3. Полное внутреннее отражение на границе раздела сред n1 n возникает при приближении луча 1 к горизонтали (границе раздела сред) луч 3 начинает «скользить» по границе раздела.

На рисунке 4 показана призма полного (многократного) внутреннего отражения.

При полном внутреннем отражении часть энергии электромагнитной волны «выходит» из призмы, незначительно углубляясь в материал подложки. За счет этого удается исследовать поверхностные свойства подложки. В литературе такой метод называется методом многократного нарушенного полного внутреннего 3 2 2 Рис. 4. Метод МНПВО. Толстая линия – изучаемая поверхность;

1 – входящий луч, 2 – точки, где ЭМВ входит в изучаемую подложку;

3 – рабочие лучи, которые несут информацию о подложке;

4 – уходящий луч.

отражения (метод МНПВО). Многократность отражения усиливает слабый сигнал. На рисунке дана упрощенная схема хода лучей.

Заметим, что полное внутреннее отражение возникает, когда угол падения луча 1 составляет (смотри закон Снеллиуса) n1 sin 1 n sin( ) n, (14) то есть 1 arcsin n n. (15) Заметим также, что согласно экспериментам при отражении ЭМВ от более плотной среды происходит потеря полуволны, то есть фаза изменяется на.

С отражением ЭМВ связан такой эффект, как явление Брюстера.

Уже упоминавшимся свойством ЭМВ является их векторный характер и, следовательно, наличие поляризации. В свободном пространстве, когда волны поперечны, говоря о поляризации, обычно имеют в виду поляризацию электрической составляющей волны E (r, t ). Поляризация определяется ортом E (r, t ) e. (16) E r, t Оставаясь вс время равным единице по модулю, орт поляризации может поворачиваться вокруг волнового вектора. Причин поворота плоскости поляризации может быть несколько. Одна из них связана со свойствами среды, в которой распространяется ЭМВ. Это – естественное вращение поляризации. Было обнаружено, что в кварце линейно поляризованный свет, распространяющийся в некотором направлении (вдоль оптической оси) имеет поворачивающуюся плоскость поляризации. Позже этот эффект был обнаружен в ряде других кристаллов и жидкостей. При этом угол поворота пропорционален толщине пластинки, через которую проходит ЭМВ. Такие вещества получили название оптически активных веществ (не путать с активными средами в лазерах). В зависимости от особенностей кристаллических решеток вещества (кварц, например) бывают правовращающими и левовращающими. Как было сказано, некоторые жидкости также поворачивают плоскость поляризации. Этим свойством обладает, например, раствор сахара. Причина возникновения эффекта достаточно сложна;

она связана, в основном, с анизотропией молекул. В изотропных средах вращение плоскости поляризации не происходит.

До сих пор речь шла об эффекте «естественного» вращения поляризации.

Однако Фарадеем было обнаружено явление вращение плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея). Этот эффект наблюдался при распространении света вдоль магнитных силовых линий. Угол поворота пропорционален длине пути света в веществе и напряженности (индукции) магнитного поля. Эффект наблюдался в стекле. Очень велик эффект Фарадея в тонких прозрачных пленках ферромагнетиков. Поскольку характерные времена «включения»/«выключения»

очень малы, эффект Фарадея используют для управления лазерным излучением, в частности, для получения коротких световых импульсов и управления добротностью лазерных резонаторов (см. об этом ниже).

Лекция 3. ЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ СЛАБОГО ЭМИ.

В области взаимодействия классических ЭМП невысокой интенсивности найдено много интересных эффектов, большая часть которых нашла практическое применение. Без преувеличения можно сказать, что таких эффектов десятки, если не сотни. Остановимся на обсуждении только некоторых из них.

С поляризацией ЭМВ связан еще один важный эффект. Оказывается, что при отражении и преломлении ЭМВ на границе раздела двух изотропных диэлектриков может происходить поляризация волн. Обычно такое явление называют эффектом или законом Брюстера.

Пусть свет падает на границу раздела двух веществ с коэффициентами преломления n1 и n2 (см. рисунок 1). Для падающего и преломленного лучей справедлив закон Снеллиуса (12). Рассмотрим два случая.

1. Падающий луч поляризован в плоскости падения (орт e можно изобразить стрелочкой, перпендикулярной падающему лучу и лежащей в плоскости падения этого луча, то есть в плоскости рисунка). Попав на границу раздела, ЭМВ заставит электроны вещества колебаться в направлении e, что является причиной появления отраженной волны. Однако электроны (переменные во времени диполи) не излучают в направлении своего движения. Они излучают главным образом в направлениях, перпендикулярных этому движению. Поэтому орт поляризации преломленной волны также лежит в плоскости падения и перпендикулярен преломленному лучу.

Но пусть теперь угол подобран так, чтобы отраженный и преломленный лучи были перпендикулярны, то есть 1. (17) Тогда, согласно сказанному, электроны не будут излучать в направлении отраженного луча и отражение не возникает. В этом и состоит явление Брюстера.

Используя закон Снеллиуса, можно найти для этого случая n1 sin B n2 sin n2 sin( B ), (18) или, окончательно, n tg B. (19) n Последнее равенство позволяет найти угол Брюстера B.

2. Пусть теперь падающий луч поляризован в направлении, составляющем некоторый угол с плоскостью падения. Тогда, согласно принципу суперпозиции, падающую волну можно представить как сумму волны, поляризованной так же, как в первом случае, и волну с ортом поляризации e1, перпендикулярным e.

Волна с ортом e не даст отраженной волны. Волна с ортом e1 отразится и преломится. Поэтому при падении неполяризованной волны на границу раздела под углом Брюстера происходит поляризация отраженной волны.

Явление Брюстера используется как один из методов поляризации ЭМВ волн. С этой целью используют набор плоско параллельных прозрачных пластин, дающий несколько отраженных поляризованных лучей, которые складываются и усиливают интенсивность поляризованной волны.

Надо отметить, что изложенная картина явления Брюстера идеализирована. В реальных экспериментах всегда присутствует отраженный луч. Это связано с тем, что на поверхностях раздела имеется неоднородная пленка примесей, и, кроме того, молекулы вещества часто обладают механической анизотропией, поэтому движение электронов происходит не только в направлении поляризации волны, но и в поперечных направлениях.

Взаимодействие ЭМВ с веществом приводит к ряду эффектов другого типа.

Начало изучению этих эффектов положено Ньютоном, указавшим, что скорость ЭМВ в среде меньше скорости света в вакууме (см. соотношение (9)). В эксперименте Ньютона с призмой наблюдались коэффициенты преломления, зависящие от частоты волны, n n( ). Это явление известно как дисперсия коэффициента преломления. В результате коэффициенты преломления в законе Снеллиуса различны и белый свет раскладывается в цветной спектр. Если же вернуться к формуле (9), то становится понятным, что и скорости ЭМВ в среде различны для разных частот, то есть возникает дисперсия скоростей ЭМВ на разных частотах (подробнее – ниже).

Дисперсионные явления проявляются также и при поглощении света. В любой среде для ЭМИ существует некое подобие сил трения (в механике эти силы приводят к уменьшению энергии системы, переводя кинетическую энергию в тепло;

очень похожие процессы происходят и с ЭМВ, распространение которых в веществе всегда сопровождается уменьшением интенсивности и нагревом вещества).

Существуют представления о линейном и нелинейном поглощении ЭМВ.

Рассмотрим случай линейного поглощения. Введем коэффициент поглощения (есть методы расчета этой величины, но они сложны и не всегда согласуются с данными опытов). Линейное поглощение может иметь избирательный или резонансный характер, когда частоты ЭМВ близки к собственным частотам атомов или молекул, составляющих среду. Но и вдали от резонансов коэффициент поглощения ( ), то есть имеет место дисперсия коэффициента линейного поглощения.

Проще всего получить закон линейного поглощения, рассматривая широкий пучок волн частоты и полубесконечную поглощающую среду (см. рис. 5) dx ЭМВ Вакуум Вещество x Рис. 5. К выводу закона линейного поглощения.

Волна распространяется вдоль оси х.

Если выделить тонкий слой вещества dx, то поток энергии I, переносимой волной, уменьшится (появляется знак « – ») пропорционально падающему потоку:

dI ( x) I ( x) dx. (20) В дифференциальном уравнении (23) можно разделить переменные, записав dI dx, (21) I ( x) и провести независимое интегрирование правой и левой части равенства. После интегрирования получим lnI ( x) const x, (22) где const – неизвестная пока произвольная постоянная интегрирования.

Проводя далее операцию «потенцирование», найдем I ( x) const1 e x. (23) Для определения произвольной постоянной const1 воспользуемся граничным условием, считая, что I ( x 0) I 0. (24) Тогда функция (26) принимает окончательный вид I ( x) I 0 exp x. (25) Формула (25) выражает закон Бугера. В случае линейного поглощения коэффициент поглощения имеет размерность м– 1.

Аналогичное поглощение может иметь место в растворах. В этом случае считают, что С, где С – концентрация поглощающего вещества. Закон (25) называют в этом случае законом Бера.

Формулу (25) записывают также для сходящихся или расходящихся волн, а также для сред, в которых заметно рассеивание волн. Закон по-прежнему называют законом Бугера, но коэффициент получает новое физическое содержание (достаточно очевидное) и новое название. Теперь это коэффициент экстинкции.

Обратимся теперь к эффектам, связанным с понятием дисперсия. В физике это один из самых неоднозначных терминов. Мы уже упоминали дисперсию коэффициента преломления, дисперсию скорости, дисперсию коэффициента линейного поглощения. Но есть и понятие дисперсия вещества. В последнем случае под дисперсией понимается величина, показывающая, как быстро изменяется коэффициент преломления при изменении частоты (не путать с понятием мелкодисперсное вещество). Если обозначить эту дисперсию как D, и учесть, что это «скорость изменения», то легко догадаться, что dn dn или D D1. (26) d d Для прозрачных веществ D монотонно убывает с ростом длины волны. Однако D резко изменяется вблизи резонансных частот, то есть вблизи линий поглощения.

Используя представление о резонансе, можно для быстро изменяющихся во времени ЭМВ получить формулу, определяющую дисперсию коэффициента преломления:

ai n 2 ( ) 1, (27) i i где единица - «вклад вакуума», i - одна из резонансных частот данной среды, суммирование проводится по всем резонансным частотам, - частота ЭМВ, множители a i указывают величину вклада каждого резонанса.

Формула (30) получена без учета поглощения или затухания волны. Если учесть поглощение, то формулы типа (30) становятся весьма громоздкими.

Зависимость коэффициента преломления от частоты приводит к зависимости от частоты скорости волны. Это в свою очередь, заставляет ввести два понятия скорости ЭМВ в среде. С одной стороны, имеется фазовая скорость, равная по определению vф, (28) T k где использованы стандартные обозначения (длина волны, период волны, циклическая частота и волновое число волны).

С другой стороны, надо ввести некую скорость, которая учитывала бы дисперсию коэффициента преломления и, следовательно, дисперсию волн. Такая скорость называется групповой скоростью волн и характеризует движение нескольких волн с близкими частотами.

Суперпозиция набора волн с близкими частотами называется волновым пакетом. Именно волновой пакет осуществляет перенос энергии волны и, следовательно, перенос волной сигнала или информации. Заметим, что ограничение («меньше или равна скорости света в данной среде или в вакууме») накладывается именно на величину групповой скорости. Фазовая скорость не связана с переносом информации и может быть любой. Вот пример, поясняющий это утверждение.

Возьмем фонарик и будем вращать его, заставляя световой зайчик бегать по окружности радиуса R. Линейная скорость движения зайчика по экрану будет равна V R. (29) Поскольку угловая скорость вращения фонарика может быть любой, скорость V также может иметь любое значение, в том числе превышать скорость света в вакууме.

Рассматривая волновой пакет можно показать, что групповая скорость равна d v гр. (30) dk Дифференцируя (28) по длине волны, найти связь между фазовой и групповой скоростями:

dvф dvф v гр vф vф 1. (31) d vф d Формула (31) называется формулой Релея для фазовой и групповой скоростей.

Она учитывает дисперсию скоростей.

Если dvф dvф 0, то v гр vф 0, или (32) d d и имеет место нормальная дисперсия.

Если же производные в (32) имеют противоположные знаки, то vгр vф, а дисперсия называется аномальной.

Лекция 4. ИЗЛУЧЕНИЕ В НЕОДНОРОДНЫХ И ДВИЖУЩИХСЯ СРЕДАХ Неоднородные и движущиеся среды весьма разнообразны. Мы рассмотрим только несколько наиболее характерных примеров. Среды с резкими границами уже обсуждались. Однако есть эффект, найденный Советскими учеными, получившими за сво открытие Нобелевскую премию (Переходное излучение или излучение Вавилова – Тамма – Черенкова). Это важный эффект, о котором надо иметь хотя бы общее представление.

Имеются любопытные эффекты, связанные с распространением ЭМИ в мутных средах.

Особо интересны процессы прохождения ЭМВ в движущихся средах. Для изучения таких процессов нужен аппарат релятивистской электродинамики (так что мы не будем затрагивать их). Но классический эффект Доплера легко наблюдаем и хорошо изучен. Мы обсудим конечные результаты этого изучения (упомянув вскользь, что имеется релятивистский эффект Доплера, связанный с весьма интересными преобразованиями ЭМВ).

И.Е. Тамм предсказал теоретически, а Вавилов и Черенков наблюдали экспериментально «переходное» излучение на границе двух сред. Суть эффекта состоит в том, что частицы в вакууме могут двигаться со скоростями, большими скорости света в среде. Такие частицы начинают излучать конус ЭМВ с осью, направленной по направлению движения частиц. Это некогерентное излучение, частота которого зависит от угла с осью конуса и определяется релятивистскими законами сохранения (главным образом сохранения энергии и импульса).

Подобное явление возникает не только при попадании быстрых частиц извне, но и при движении быстрых электронов (они могут «накачиваться» извне, но могут и являться носителями заряда, создающим и электрический ток). Надо понимать, что речь идет в этом случае не об излучении ЭМВ, а об излучении фононов – квантованных колебаний решетки. В этом случае скорость носителей заряда должно превышать не скорость света в среде, а скорость звука в данной среде.

Мы рассматривали выше прозрачные или слабо поглощающие однородные вещества. Однако вещества могут иметь случайное распределение примесей или взвесей. Например, частиц ила в воде, или крупных (обычно органических) молекул, а также мелких капелек воды (туман) в атмосфере. Такие вещества называются мутными. В них возникает специфическое рассеяние ЭМВ. Если расстояние между рассеивающими частицами превышают длину волны ЭМВ, то применима теория рассеяния Релея. Она показывает, что интенсивность рассеянной волны пропорциональна четвертой степени частоты, I ~ 4. Это соотношение называется законом Релея. Оно объясняет голубой цвет неба (рассеяние коротких длин волн сильнее, чем рассеяние красных и желтых волн), а так же объясняет, почему габаритные огни и «стоп-сигналы» автомобилей имеют красно-желтый цвет (слабо рассеиваются в тумане).

Имеется классическая теория Релеевского рассеяния, учитывающая поляризацию молекул падающей ЭМВ. Это приближенная теория, дающая, впрочем, достаточные для практики результаты. Есть и другие теории рассеяния в мутных средах (они относятся к частицам различных размеров). В качестве примера упомянем теорию рассеяния МИ (См., например, монографию «Оптика»

Г.С. Ландсберга).

Говоря о движущихся средах (обычно ограничиваются изучением прозрачных сред) выделяют два случая – области малых скоростей (нерелятивистская область) и движения со скоростями, близкими к скорости света.

При этом в силу относительности движения безразлично, что движется – источник ЭМВ, или приемник (среда). Есть некоторые формальные различия, связанные с геометрическими соображениями, влияющие на конкретный вид формул, но физика явления одинакова. Само явление носит название «Эффект Доплера».

Доплеровским эффектом называют изменение частоты ЭМВ, воспринимаемых наблюдателем при относительном движении источника и наблюдателя (в акустике эффект Доплера очень заметен, когда мимо вас проносится подающая звуковой сигнал электричка). Движение звезд приводит к смещению спектральных линий, что позволяет оценить величину скоростей звезд.

Простые рассуждения, связанные с изменением положения волновой или любой фазовой поверхности и соответствующего изменения длины волны, позволяют установить связь между наблюдаемой частотой и испускаемой частотой 0 :

v v 0 1 c cos 1, (33) c где с – скорость света в вакууме, v – скорость относительного движения источника и наблюдателя, – угол между линией наблюдения и направлением движения источника.

Эффект Доплера значительно усложняется в релятивистской области. Там, например, возникает поперечный эффект Доплера. Кроме того, при больших скоростях приходится учитывать Лоренцевские преобразования электрических и магнитных составляющих ЭМВ (они переходят одно в другую).

Лекция 5. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФРАКЦИЯ СЛАБЫХ ЭМВ Любые волны с небольшой амплитудой не изменяют свойства среды (что, на самом деле иногда является сомнительным утверждением;

например, звуковые волны в воздухе – это локальные изменения давления или плотности). Считают, что слабые ЭМВ тоже не изменяют свойства среды (это означает, на самом деле, что е влияние на среду незаметно – при наблюдении данным методом). Для таких волн уравнения Максвелла приводят к линейному волновому уравнению, одно из свойств которого состоит в том, что сумма решений также является решением уравнения.

Например, если U1 r, t, U 2 r, t....U N r, t есть решения волнового уравнения для данных условий, то N U r, t U r, t U n r, t (34) n также является решением волнового уравнения.

Два важных замечания:

1. В (34) можно складывать не только сами волновые функции, но и функции, умноженные на произвольные постоянные. Это – основа Фурье-преобразования в оптике.

2. Принципиально важно, чтобы все волновые функции в (34) имели одинаковые аргументы. Нельзя сложить волны «здесь» и «там», или «сейчас» и в другой момент времени. А вот поляризации и амплитуды волн могут быть разными.

Такое свойство волн (любых) называется принципом суперпозиции. Это свойство – основа описания присущих любым слабым волнам явлений интерференции и дифракции. Для интенсивных ЭМВ, взаимодействующих с веществом, картины интерференции и дифракции могут существенно отличаться от «линейного» случая – см. ниже.

Вспоминая определение интенсивности, заметим, что при сложении двух слабых волн (двулучевая интерференция) имеет место соотношение для средней интенсивности I1 I 2 2E1 E2 I1 I 2 2 I1 I 2 cos cos, I E 2 E1 E2 (35) где присутствует скалярное произведение векторов E1 E2, в результате чего появляется косинус угла между поляризациями складываемых волн;

– это разность фаз складываемых волн.

Из (35) видно, что полная интенсивность отличается от суммы интенсивностей отдельных волн на слагаемое, называемое интерференционным членом.

Согласно определению Г.С. Горелика (крупнейший специалист в области классической волновой физики, см. его монографию «Колебания и волны»), что интерференция – это зависимость интенсивности суммарной волны от фаз складываемых волн.

Первоначально считалось, что интерференция ЭМВ наблюдается только при сложении когерентных (согласованных) волн. Под когерентностью понимали совпадение частот волн, поляризаций, а также независимость амплитуд и частот от времени. Если эти условия выполнены, то интерференционный член в (35) изменяется в пространстве, обусловливая появление максимумов, когда cos 1, kX 2n, (36) и минимумов, если kX (2n 1). (37) В формулах (36) и (37) k – волновое число, X разность хода волн, или разность оптических путей, проходимых волнами.

В настоящее время понятие интерференции несколько обобщено (См.

упоминавшуюся монографию Г.С. Горелика). Вводят понятие достаточно когерентных волн. Чтобы понять смысл этого термина, следует обратиться к формуле (10), дающей среднюю интенсивность. В старых теориях интерференции, при точном совпадении частот волн, интегрирование проводилось за время, равное периоду колебаний волны. В настоящее время может считаться не совпадающим с периодом. Интерференция наблюдаема, если волны достаточно когерентны, то есть нет точного выполнения условий когерентности, но интеграл (10) не обращается в нуль. Таким образом, интерференцию двух волн можно видеть, при усреднении сигнала за малые времена, но она исчезнет, усреднится, при длительном наблюдении.

Интерференция (как и е следствие – дифракция) является обязательным признаком волнового процесса. Она имеет большое значение при описании различных оптических явлений, проявляющихся в деталях взаимодействия излучения с веществом. Интерференция лежит в основе многих методов экспериментальных исследований таких взаимодействий. В частности, она является основой голографии и многих голографических и спекл-интерференционных методов, применяемых в промышленности.

Заметим, что в «линейной» интерференции возведение напряженности ЭМП в квадрат проводится квадратичным детектором. Это разнообразные однофотонные фотоприемники, фотопластинки (не во всех режимах экспонирования и химической обработки, человеческий глаз). Утверждение о том, что для получения интерференционного члена необходим квадратичный детектор, приводит к мысли, что в нелинейных средах интерференция может возникать сама по себе, без использования «внешних» приборов. Это нелинейная интерференция.

Позже мы поговорим о нелинейных (неквадратичных) детекторах и увидим, что в интенсивных полях могут иметь место другие типы интерференции.

Что касается дифракции, то она возникает при наложении бесконечного числа вторичных сферических волн, идущих (согласно представлениям Гюйгенса и Френеля) от фиктивных источников. Эти волны когерентны и, перераспределяя энергию первичной волны, формируют дифракционные максимумы и минимумы.

Характер дифракции определяется волновым параметром l P, (38) d где – длина волны, l – расстояние от препятствия до точки наблюдения, d – характерный размер препятствия.

Обычно выделяют три области значений P :

P 1, P ~ 1, P 1. (39) Первому неравенству соответствует область параметров, для которых применимо приближение геометрической оптики. Дифракция здесь незаметна, можно считать, что свет распространяется прямолинейно. Второе значение P – параметры, при которых дифракция только начинает развиваться. Это дифракция Френеля.

Получить информацию об этой области можно только используя численные методы. Последнее неравенство относится к случаю дифракции в бесконечно удаленной точке (дифракция в параллельных лучах). Этот тип дифракции называют дифракция Фраунгофера. Она является наиболее изученным случаем дифракции, одновременно являющимся наиболее важным для разнообразных приложений.

В частности угол дифракции Фраунгофера равен (это угол, направленный своими лучами на два минимума, ближайших к центральному максимуму):

, (40) d обозначения те же, что и в формуле (38).

Помимо угловой ширины центрального максимума вводят понятие линейной ширины этого максимума:

2l X l. (41) d Величина (41) определяет минимальные размеры деталей, различимых в условиях дифракции Фраунгофера.


Однако и (40), и (41) указывают на парадоксальные особенности дифракции Фраунгофера: чем меньше характерные размеры препятствия (объекта), тем больше размеры его изображения. И, наоборот, при стремлении d к нулю, изображение стремится к бесконечности. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу, однако эксперименты подтверждают такую зависимость.

Указанное оптическое явление натолкнуло Гейзенберга на формулировку принципа Гейзенберга или, иначе говоря, на соотношение неопределенностей. Оно является, пожалуй, наиболее фундаментальным положением квантовой механики, а значит, теории лазеров и теории взаимодействия излучения с веществом.

Напомним, что согласно первоначальной гипотезе де-Бройля, все микрочастицы обладают волновыми свойствами и, следовательно, для них справедливы выше изложенные представления об интерференции и дифракции.

Лекция 6. ТЕОРИЯ ФОТОНОВ ЭЙНШТЕЙНА, ЕЁ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ Впервые представление о «частицах света», квантах энергии ЭМП было вынужденно введено Планком при изучении равновесного ЭМИ в замкнутой области. Без допущения о дискретности энергии ЭМИ получить равновесное распределение не удалось. Этой гипотезе Планка долгое время не придавали значения. Более того, сам Планк приложил много усилий, чтобы получить нужное распределение без квантования энергии излучения. Примерно в то же время, и несколько позже, проводились исследования еще одного эффекта взаимодействия излучения с веществом. Можно смело сказать, что это было самое главное из всех взаимодействий такого рода. Изучение именно этого взаимодействия заставило физиков отказаться от многих привычных представлений и начать развивать новую область физики сначала волновую механику, потом, в более общем виде, квантовую механику. Эффект, о котором идет речь, называется внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект вызывается электромагнитными волнами достаточно большой частоты. Он состоит в вырывании из металла электронов светом. Честь обнаружения и последующего изучения эффекта принадлежит Столетову и его сотрудникам. Однако попытки дать объяснение внешнего фотоэффекта на основе классических представлений механики и электродинамики провалились.

Результаты, вытекающие из этих, попыток во всех отношениях противоречили наблюдениям. Теорию внешнего фотоэффекта, объясняющую экспериментальные данные создал Эйнштейн (1905 год). Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн использовал гипотезу Планка о квантовании энергии ЭМИ, о фотонах и, развивая е, записал «уравнения Эйнштейна для фотонов»:

ph, (42) p ph k. (43) Парадоксальность этих уравнений состоит в том, что в левые части (42), (43) входят параметры, характеризующие частицы, а в правые части – параметры волн.

Объединение таких, противоречивых, параметров в каждом из уравнений (42), (43) абсолютно неестественно, и долгое время не принималось физиками. Возникло представление, которое получило название корпускулярно-волновой дуализм. Для того, чтобы оно утвердилось в физике, необходимы были простые и неоспоримые экспериментальные подтверждения (42), (43).

Первым, подтверждающим соотношение (42), и было объяснение внешнего фотоэффекта. По Эйнштейну, который записал уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта E A, (44) где E - кинетическая энергия фотоэлектрона, A – «работа выхода», то есть энергия, которую надо затратить, чтобы вырвать электрон из данного материала.

Иначе говоря, уравнение (44) «всего лишь» выражало закон сохранения энергии.

Из (44) следовало существование красной границы фотоэффект (наблюдавшийся экспериментально, но никак не вписывавшееся в классические теории). В самом деле, при малых частотах A, (45) фотоэлектрон не мог выйти и из металла и эффект не наблюдался.

Закон (44) объяснял и другие особенности фотоэффекта, не объяснимые с позиций классической физики.

Внешний фотоэффект из отдельно взятого атома или молекулы называется фотоионизацией. Это один из важных механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Итак, соотношение (42) было экспериментально доказано.

Оставалось доказать соотношение (43). Это было сделано Комптоном, который наблюдал рассеяние рентгеновских фотонов на «свободных» электронах. В его экспериментах на тонкую фольгу бросался пучок рентгеновского излучения с длиной волны. После взаимодействия с фольгой появлялся электрон отдачи и рентгеновский фотон с длиной волны.

Комптон рассматривал этот процесс как упругое столкновение релятивистских частиц: покоящегося в начальном состоянии «свободного» электрона и фотона.

В результате столкновения электрон приобретал значительную скорость, а фотон терял часть энергии, становясь волной с '. Законы сохранения импульса и энергии приводили к соотношению ' C 1 cos, (46) где величина – 2,4 10 C (47) m0 c – комптоновская длина волны электрона, m0 – масса покоящегося электрона, – угол рассеяния фотона (см. рис. 6).

Уникальность закона Комптона не только в том, что он доказал справедливость второго уравнения Эйнштейна, (43), но и в том, что постоянная C зависит только от неизменных, мировых постоянных.

' e Рис. 6. К эксперименту Комптона.

Изучение внешнего фотоэффекта заложило основу для развития квантовой механики, а понятие фотона является базовым для понимания лазерного излучения и вообще лазерной физики. Именно представления о фотонах (62), (63) позволили развить непротиворечивую теорию излучения и поглощения ЭМВ атомами и другими системами. Квантовая теория излучения ЭМВ позволила понять принципы спонтанного и вынужденного излучения света и создать теорию лазеров.

Позже были осуществлены эксперименты, показавшие, что частицы (электроны, протоны, нейтроны) способны интерферировать и дифрагировать, т.е. обладают ярко выраженными волновыми свойствами.

Лекция 7. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ Основные свойства лазерного излучения определяются устройством и принципами работы различных лазеров. (Оптический квантовый генератор или лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – Усиление света за счет вынужденного испускания излучения). Здесь мы остановимся на особенностях лазерного излучения, присущих всем типам лазеров.

Как было сказано выше, при распространении ЭМВ в среде происходит е поглощение. Закон линейного поглощения – закона Бугера имеет вид (25), где коэффициент поглощения является положительной величиной.

Коэффициент поглощения ЭМВ является одной из важных характеристик и специфического, лазерного излучения.

Кроме коэффициента поглощения рассматривают коэффициенты испускания ЭМВ. С позиций термодинамики равновесного излучения вопросом занимался Эйнштейн (1905 г. и позже). Он ввел понятие спонтанного и вынужденного (или индуцированного) излучения.

Спонтанное излучение – это самопроизвольное испускание ЭМВ (фотонов) возбужденными атомами или молекулами. При таком испускании каждый фотон – произволен, то есть имеет независимую частоту (изменяющуюся в узких пределах ширины линии излучения), случайную поляризацию, случайную фазу и случайное направление распространения. Спонтанное излучение происходит в отсутствии электромагнитного поля (с позиций квантовой электродинамики всегда имеется вакуумное ЭМ поле или, как говорят, поле нулевых колебаний, которое является причиной спонтанного излучения реальных фотонов).

Вынужденное излучение происходит под воздействием уже имеющегося света и «рождающиеся» фотоны обладают в точности теми же параметрами (частота, поляризация, фаза, направление распространения), что и фотоны, вызвавшие индуцированное излучение.

Вынужденное излучение можно рассматривать как процесс, обратный поглощению. Как и поглощение, этот процесс пропорционален числу фотонов или пропорционален квадрату амплитуды напряженности ЭМВ (т.е. пропорционален интенсивности волны).

В отличие от обычных источников света, лазерное излучение генерируется только в активных средах. Активная среда – это такое вещество, где имеется возможность достижения инверсии населенности энергетических уровней.

Последний термин означает в данном случае, что возбужденных атомов больше, чем атомов в основном состоянии (в равновесных условиях обычно бывает наоборот). Это прямо противоречит распределению Больцмана и может реализоваться только в неравновесных условиях. Неравновесные условия создаются интенсивной накачкой, разной у различных типов лазеров.

При наличии инверсии коэффициент «поглощения» в законе Бугера становится величиной отрицательной. Это означает, что свет не поглощается, а усиливается (коэффициент при этом следует называть коэффициентом усиления света). При этом происходит усиление тех типов фотонов, которые появились первыми. Все вторичные фотоны когерентны с первичными фотонами.

Итак, первое условие для существования лазерного излучения – наличие инвертированной среды, компенсирующей все виды потери энергии ЭМВ – как на поглощение, так и на экстинкцию. Это возможно благодаря существованию вынужденного излучения.

Второе необходимое условие – наличие оптического резонатора. Существуют идеи создания очень мощных безрезонаторных лазеров, но как правила, резонатор – важнейшая часть лазера.

Резонатор выполняет две важные функции. Во-первых, конфигурация резонатора определяет возможные типы колебаний (моды) электромагнитного излучения. При заданной частоте фотонов, их поляризация, геометрический вид и направление распространения определяются видом резонатора. Перестройка резонатора позволяет изменять эти параметры. Для некоторых мод добротность резонатора (число колебаний или проходов вдоль резонатора, после которых в отсутствие инверсии число фотонов убывает в «е» раз) максимальна, и именно эти фотоны составляют основу лазерного излучения. Наличие резонатора позволяет проводить модуляцию добротности и тем самым управлять длительностью лазерного импульса. Фотоны, не попавшие в эти привилегированные моды либо уходят из резонатора, либо поглощаются в нем и перестают участвовать в лазерной генерации. Во-вторых (и это связано с добротностью резонатора), резонатор обеспечивает положительную обратную связь. Происходит это так. Спонтанно появившийся фотон добротной моды распространяется вдоль резонатора, вызывая вынужденное излучение сначала одного вторичного фотона, затем оба фотона рождают еще два и полное число фотонов достигает четырех. Потом восьми и т.д.


когерентных фотонов. Такой лавинообразный процесс и есть лазерная генерация.

Но резонатор вынужденно имеет ограниченную длину, и степень умножения числа фотонов была бы тоже ограничена. Однако резонатор состоит из зеркал. Обычно одно из них имеет 100% отражение (глухое зеркало) и свет через него не выходит из резонатора. Другое зеркало пропускает часть излучения, отражая остальные фотоны обратно в резонатор. Они опять вызывают вынужденное испускание когерентных фотонов той же моды. Это и есть положительная обратная связь.

Модуляция добротности, в простейшем виде состоит в том, что некоторое время (в течение накачки) оба зеркала имеют 100% отражение и происходит накопление энергии в активной среде с одновременным увеличением напряженности электрического поля ЭМВ. Потом одно из зеркал «открывается» и происходит испускание лазерного луча. За счет этого резко увеличивается энергия излучения и появляется возможность управлять длительностью лазерного импульса.

Третье условие – превышение порогового значения инверсии. Если пороговое значение не превышено, то лазер с малой инверсией выполняет функции усилителя света. Для этого в систему подается лазерный импульс (от другого, задающего, лазера) и этот импульс усиливается.

Пороговое условие легко получить, используя закон Бугера. В самом деле, если I 0 Rэфф exp L I 0, (48) то после прохода ЭМВ резонатора длиной L в прямом и обратном направлениях интенсивность увеличивается в Rэфф exp L 1 раз. Это и означает, что началась лазерная генерация.

В формуле (48) Rэфф – эффективный амплитудный коэффициент отражения ЭМВ, учитывающий не только реальный коэффициент отражения зеркала, но и все типы потерь фотонов.

Если лазер испускает свет без модуляции добротности ( свободная генерация), то он выдавал бы длинный, но не очень мощный импульс, длительность которого определяется «выгоранием» инверсии. Впрочем, существуют лазеры с постоянной накачкой, в которых инверсия поддерживается постоянно. Такие лазеры дают непрерывное излучение, которое в ряде случаев представляет собой наложение импульсов свободной генерации (при этом обычно происходит смена мод – одни моды «выгорают», а для других достигается порог инверсии и они «разгораются»).

К каким же характерным особенностям лазерного излучения приводит эта, описанная вкратце, картина генерации?

1. Лазерное излучение состоит из когерентных фотонов и является весьма монохроматичным. Ширина линии излучения зависит от типа лазера и режима его работы. В обычных условиях (без принятия специальных мер по стабилизации частоты) имеют место следующие параметры ширин линий излучения (видимый диапазон излучения, ~500 нм;

данные приведены только для ориентировки):

у газовых лазеров ~ 10 3 10 4 нм, у твердотельных лазеров ~ 10 1 10 2 нм, у полупроводниковых лазеров ~ 1 10 нм.

В частотном диапазоне у твердотельных лазеров это дает ширину спектральной линии порядка ~ 100 рад / с при частоте излучения около 1016 рад / с.

Это совсем не рекордные цифры. При дополнительной стабилизации ширина линии излучения может составлять доли рад/с, причем на временах в несколько лет работы лазера. Такие лазеры используются в стандартах времени и частоты, а также для различных прецизионных измерениях.

2. Лазерное излучение характеризуется не только высокой когерентностью по частоте (см. выше о монохроматичности), но также по пространственной и угловой когерентности, а также обладает постоянством фазы.

Известны эксперименты по наложению полей двух лазеров, в результате чего возникали интерференционные эффекты.

3. Лазерные пучки могут иметь весьма малую расходимость, приближающуюся к ~ рад, то есть к дифракционному пределу ( d - характерный размер d выходного окна лазера или диаметр лазерного пучка). Так, достаточно мощный гелий-неоновый лазер создавал на Луне видимое в телескоп освещенное пятно диаметром порядка 40 метров.

Намного хуже расходимость у полупроводниковых лазеров (десяток градусов), что вызвано тем, что излучение исходит из p – n перехода, имеющего толщину 1 – 10 мкм. Но известны работы, в которых пытались создать фазированные решетки из полупроводниковых лазеров, расходимость которых должна была быть намного меньше.

4. Лазерное излучение может быть как непрерывным или квазинепрерывным (наложение «пичков», отдельных импульсов), так и чисто импульсным. Легко получают наносекундные импульсы. С несколько большими трудностями – импульсы фемтосекундной длительности ( ~ 10 100,.. 10 14 10 13 ), на конференциях регулярно появляются доклады об атто импульсах лазерного излучения ( атто – множитель, равный 10 18 ).

5. Лазерное излучение обладает высокой спектральной плотностью энергии.

Это означает, что в диапазоне ширины линии излучения может быть сконцентрирована макроскопическая энергия (джоули и тысячи джоулей).

6. Аналогичная по величине энергия может быть сконцентрирована в областях пространства объемом порядка куба длины волны.

7. Так как такие энергии могут переноситься очень короткими импульсами, то мощности лазеров легко превышают мощности больших гидроэлектростанций.

Пункты 6 и 7 показывают, что лазеры имеют большие технологические возможности и могут применяться для обработки тугоплавких и твердых (алмаз) материалов.

8. В зависимости от типа лазера частота его генерации может простираться от инфракрасного излучения в десятки микрометров (у мощных технологических лазеров на углекислом газе ~ 10 мкм ) до вакуумного ультрафиолета (лазеры на «свободных» электронах в синхротронах).

9. Некоторые лазеры позволяют проводить плавную перестройку частоты генерации. В малых пределах перестройку частоты можно осуществить изменением параметров резонатора, в весьма значительных – у лазеров на красителях.

Лекция 8. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ И ИХ ОСОБЕННОСТИ Лазеры можно классифицировать по нескольким признакам:

1. По типу рабочего вещества, в котором создается инверсная заселенность.

2. По способу создания инверсной населенности.

3. По характеру работы – непрерывная генерация или импульсный режим.

4. По длине излучаемой волны и по возможности перестройки частоты генерации.

5. По максимальной мощности.

6. По назначению.

Рассмотрим эти признаки.

Рабочим веществом может быть твердое тело (чаще всего кристаллы или стекла), в том числе, полупроводники, жидкие среды и, наконец, газы и смеси газов. Особняком стоят эксимерные лазеры и лазеры «на свободных электронах».

Классическими примерами твердотельных лазеров являются лазер на рубине и неодимовый лазер.

Лазер на рубине – первая реализация твердотельного лазера. В нем используется оптическая накачка. Рабочим веществом является лейкосапфир или корунд (окись алюминия) Al 2 O3 с небольшой добавкой (обычно несколько сотых долей процента) окиси хрома Cr2 O3. Рабочий кристалл при этом принимает цвет слабо разведенной марганцовки. Длина волны лазерной генерации может несколько изменяться в зависимости от внешних условий и концентрации ионов хрома, но обычно она близка к 0,69 мкм.

Специальными методами выращивают «були» легированного хромом рубина, которые являются поликристаллами и состоят из нескольких сросшихся монокристаллов. Масса були может достигать нескольких десятков килограммов.

Из були вырезают рубиновые монокристаллические стержни (обычно в виде цилиндров). В монокристаллах рубина потери света минимальны. Торцы стержней делают параллельными и тщательно полируют. С дополнительными внешними зеркалами стержень образует резонатор. Иногда серебрят сами поверхности торцов, что тоже позволяет создать резонатор. Возможно также нанесение на торцы тонких пленок, создающих интерференционные зеркала. Такие методы используют во многих твердотельных лазерах.

Ионы хрома создают систему из четырех рабочих уровней - основного E1, двух высоко лежащих промежуточных уровня E31 и E32 – они широкие, и ион живет в возбужденном состоянии примерно 10 8 с. Время жизни зависит от температуры кристалла. Кроме того, имеется уровень E 2, время жизни которого составляет 3 10 3 с. Уровни E 2 – это долгоживущие состояния или метастабильные уровни (см. рис. 7).

Работа лазера происходит следующим образом. Кристалл освещается мощной лампой вспышкой, в результате чего электроны из основного состояния E переходят в возбужденные состояния E3. Затем, из-за взаимодействия электронов с кристаллической решеткой они безизлучательно (с испусканием фононов или выделением тепла) и быстро переходят на метастабильный уровень E 2, где и накапливаются, создавая инверсию. По достижении порога генерации уровень E распадается с излучением «рабочих» фотонов. Затем цикл генерации может быть повторен.

E E E E E Рис. 7. Схема переходов в рубиновом лазере. 1 – накачка, 2 – безизлучательный переход, 3 – рабочий переход.

2 – безизлучательные переходы, 3 – генерация.

Схема устройства рубинового лазера приведена на рисунке 8 (без обозначения зеркал).

Есть модификации рубиновых лазеров (с другим типом накачки), которые работают в непрерывном режиме.

Работа неодимового лазера в целом напоминает работу лазера на рубине. Но неодимовый лазер обладает громадным преимуществом – активные элементы неодимового лазера выполнены из стекла, а сварить стеклянные блоки можно достаточно большого размера. Не пределом являются блоки размером 40 на 40 см и метровой длины. Такие блоки дают гораздо большие энергии (мощности), чем рубиновые лазеры. Так, при длительности импульса 6 10-8 с и энергии в импульсе 104 Дж мощность неодимового лазера достигает 107 Вт.

1 А В Рис. 8. А: 1 – рубиновый стержень, 2 – лампа-вспышка, 3 – электроды, 4 – источник энергии (батарея конденсаторов). В: (поперечное сечение): 5 – отражатель, 6 – сечение рубинового стержня, 7 – лампа-вспышка.

Такие блоки используют в системах усиления света: ставится небольшой, но высококачественный неодимовый лазер, работающий как задающий генератор, а затем устанавливают несколько усилительных блоков, в которых накачка близка к пороговой, но меньше не. Импульс задающего генератора «сбрасывает» энергию усилителей, давая на выходе чрезвычайно высокие мощности.

Длина волны излучения неодимового лазера обычно равна 1,06 мкм (это ИК диапазон излучения).

В последнее время широкое распространение получило использование лазеров на полупроводниках. В большинстве случаев рабочим веществом таких лазеров являются соединения типа GaAs (арсенид галлия) или твердые растворы GaAs x Al1 x.

Используются так же и другие материалы групп A3 B5 или A4 B6. Такие лазеры дают излучение различных длин волн, но эффективность их ниже, чем у гетеролазеров из GaAs x Al1 x (за разработку таких лазеров российский ученый академик Жорес Алферов вместе с двумя иностранными учеными получил Нобелевскую премию по физике).

Полупроводниковые лазеры представляют собой специализированный p-n – переход, включенный в обратном направлении. Энергия электрического тока (накачка) создает некоторые концентрации электронов и дырок, которые рекомбинируют в области перехода. Рекомбинация сопровождается свечением перехода. Если накачка не велика, то лазерной генерации не возникает, и устройство представляет собой некогерентный фотодиод. При выполнении порогового условия начинается лазерная генерация. Размеры активной области не велики. Толщина светящейся области порядка 2 10 3 мм (нелепо выражать такие величины в метрах), а длина имеет порядок миллиметра.

Тем не менее приборы достаточно мощны для того, чтобы использоваться для записи («прожига») лазерных дисков, передачи информации, работы в компьютерных мышках (как в светодиодном исполнении, так и с помощью когерентного лазерного излучения). Используя светодиоды, делают электрические фонарики, автомобильные фары, дорожные знаки и светофоры.

Резонатор в полупроводниковом лазере создается скалыванием – специальным устройством от готового p-n – перехода откалывается поверхностный слой.

Поскольку откалывание происходит по кристаллической плоскости, получающаяся поверхность близка к зеркальной. К сожалению, малые размеры резонатора не позволяют получать хорошую пространственную когерентность излучения. В настоящее время есть полупроводниковые лазеры разных длин волн. За счет температурной перестройки запрещенной зоны удается несколько изменять излучаемую длину волны. Есть надежда на создание полупроводникового лазера «белого» излучения, то есть одновременного излучения трех базовых цветов:

синего, зеленого и красного.

Широкое распространение получили газовые лазеры. Они могут иметь как электрическую накачку, так тепловую, пучковую и химическую. Известно, что некоторые вещества (щелочные металлы и галогены), вступая в химическую реакцию, оказываются в возбужденных состояниях. Наличие резонатора приводит к лавинообразному высвечиванию запасенной энергии, то есть к лазерной генерации.

Наиболее известными газовыми лазерами являются гелий-неоновый лазер, аргоновый лазер и лазер на углекислом газе.

Исторически первым был изобретен гелий-неоновый лазер, и он остается одним 3 2 Рис. 9. Схема гелий-неонового лазера.

из наиболее востребованных в различных исследованиях. Одна их причин такой популярности –ясная теоретическая картина происходящих в лазере физических процессов, отработанность технологии изготовления и надежность конструкции.

Гелий-неоновый лазер состоит из газоразрядной стеклянной трубки 1 (см. рис.

9), заполненной разреженной смесью гелия и неона (в соотношении примерно 10 к 1). В трубке имеются впаянные в стекло электроды 2, между которыми при приложении электрического напряжения загорается тлеющий разряд, который служит накачкой, подаваемой на электроды напряжение порядка 2 кВ. Концы трубки закрыты стеклянными пластинами (зеркалами) 3, расположенными под углом Брюстера к оси трубки. Поэтому выходящее лазерное излучение линейно поляризовано.

У гелия два метастабильных уровня, которые заселяются за счет столкновения и гелия и неона. При правильно подобранном режиме на метастабильных уровнях создается инверсная заселенность, и когда пороговое условие превышено, начинается генерация.

Однородность газовой среды способствует улучшению качества лазерного излучения – удается приблизиться к дифракционному пределу для угловой и пространственной когерентности, то есть добиться минимальной расходимости лазерного пучка. Линии генерации гелий-неонового лазера по этой же причине весьма узкие.

Широко используется импульсный или непрерывный аргоновый лазер. Это лазер, дающий когерентное линейно поляризованное излучение в видимом диапазоне, на длинах волн 514 нм (зеленый) и 488 нм (синий). Мощности аргоновых лазеров варьируются от десятка мВт, причем для их возбуждения нужно невысокое напряжение (порядка 100 В), до больших лазеров с мощностью выше 50 Вт, требующих возбуждения напряжением 500 В и водяного охлаждения.

Потребляемая мощность достигает порядка 50 кВт, то есть КПД преобразования энергии в когерентный свет составляет порядка 0,1 %. Такие малые коэффициенты преобразования характерны для большинства лазеров.

Значительно большие КПД удается получать с помощью лазеров на углекислом газе. Имеется несколько схем возбуждения СО2 лазеров. Это могут быть различные схемы электрического возбуждения, но особый интерес представляют газодинамические лазеры. В газодинамическом лазере инверсия населнностей колебательных уровней энергии молекул газа создатся при адиабатическом охлаждением сверхзвуковых газовых потоков с начальной температурой порядка 2000 °К и конечной, после охлаждения, порядка 600°К. Необходимый состав газа и требуемую температуру можно получить при сгорании заранее подобранных веществ, например при сгорании СО в воздухе. Для особо мощных лазеров такого типа используются реактивные или ракетные двигатели (разумеется, закрепленные на неподвижных стендах), часто с дополнительным электрическим возбуждением.

Длина генерируемой волны 2 лазеров 10,5 мкм. Это невидимое глазом ИК излучение, что создает определенные трудности для юстировки и использования таких систем. Однако рекордные мощности, достигаемые с помощью 2 лазеров, а также большие коэффициенты поглощения длинных волн в большинстве материалов делают эти лазеры наиболее приемлемыми для технологических целей (в частности, резка и обработка материалов).

Особняком стоят эксимерные лазеры. Это тоже газовые, или, скорее, химические лазеры, но на специальных соединениях и принципах работы. Они дают излучение в УФ-диапазоне. Накачка в них происходит за счет электрического разряда, но активная среда – «соединение» благородных газов или благородных газов с галогенами. Первый такой лазер был реализован на димере Хе2 (длина волны излучения 172 нм). Это не есть химическая молекула. Квантовомеханические причины образования таких соединений сложны и здесь не обсуждаются. Другими примерами могут служить «соединения» F2 (157 нм), ArF (193 нм), XeCl (308 нм) и другие.

Эксимерные лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Частота повторения обычно выбирается равной 100 Гц при длительности импульса 10 нс. Эксимерные лазеры широко применяются в различных научных исследованиях, медицине, изготовлении полупроводниковых микросхем, в военном деле. При использовании сверхкоротких импульсов мощности эксимерных лазеров могут достигать десятков мегаватт при энергии одиночного импульса в несколько килоджоулей, чего достаточно для повреждения ответственных деталей космических кораблей.

Особый интерес представляют собой лазеры на красителях. Такой тип лазеров использует в качестве активного вещества сложные органические молекулы красителей, имеющих много близко расположенных уровней. Часто используется краситель под названием родамин 6-G. При использовании оптической накачки (обычно с помощью аргонового лазера) происходит возбуждение молекулы из какого-либо основного состояния в некое возбужденное состояние, затем быстрая релаксация по полосе возбужденных состояний до метастабильного уровня, накопление там электронов, достижение инверсии, превышение порога и генерация. Основное отличие от генерации, например, рубинового лазера состоит в том, что перестройкой частоты накачки и характеристик резонатора удается смещать рабочий переход и, следовательно, частоту лазерной генерации. Другая возможность управлять частотой лазерной генерации – введение в резонатор диспергирующего элемента, например, призмы и изменение рабочей частоты при е повороте.

Отдельную группу образуют так называемые лазеры на свободных электронах.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.