Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика



Pdf көрінісі
бет266/346
Дата19.01.2022
өлшемі6,71 Mb.
#24105
түріУчебник
1   ...   262   263   264   265   266   267   268   269   ...   346
Байланысты:
Ð Ð Ð½Ð Ñ Ð ÐµÑ Ð³ Ð Ð ÐÐ ÐµÐ¼ÐµÐ½Ñ Ð Ñ Ð½Ñ Ð¹ Ñ Ñ ÐµÐ

Гл. XXII. Строение атома

Устройство рубинового генератора показано на рис. 365.

«Накачивающая» вспышка зеленого и синего света возникает

при разряде конденсатора через импульсную газоразрядную

Рис. 364. Гидравлическая аналогия метода оптической «накачки» для

создания избыточной населенности на возбужденном уровне. Высота

столба воды в баке возрастает при работе насоса до тех пор,

пока не станет достаточной, чтобы «протолкнуть» всю доставляемую

насосом воду через узкую сливную трубу. Работа насоса а) с малой

и б) с большой производительностью. В этой аналогии баки 1и 3

играют роль уровней атома хрома в рубине, высота столбов воды —

роль населенностей уровней, насос — роль источника «накачивающе-

го» зеленого света

лампу 2, помещенную в отражающем кожухе 3. Лампа в виде

спирали окружает рубиновый стерженек со строго плоскопа-

раллельными отполированными торцами, на которые нанесены

зеркальные слои. Как только под действием «накачивающей»

вспышки на уровне (рис. 363) накопится достаточный избыток

атомов по сравнению с уровнем 1, возникает рассмотренный

ранее процесс генерации света с частотой, соответствующей

разности уровней и (красный свет с длиной волны около

690 нм). Через один из своих торцов (покрытие которого сделано

слегка прозрачным) рубин испустит при этом узкий красный луч.

Луч будет в высокой степени параллельным, так как генерация




Гл. XXII. Строение атома

489


происходит на волнах, многократно проходящих вдоль кристал-

ла, отражаясь от зеркал на его концах, т. е. распространяющих-

ся перпендикулярно к торцам рубинового стержня (рис. 365).

Очевидно, что излучение такого лазера будет продолжаться

Рис. 365. Устройство оптиче-

ского генератора на рубине:



— конденсатор, — газо-

разрядная лампа, — отра-

жающий кожух, — рубино-

вый стержень, — источник

питания, служащий для за-

рядки конденсатора 1

только во время разряда конденса-

тора через газоразрядную лам-

пу 2, т. е. такой лазер будет ра-

ботать в импульсном режиме. При

ином механизме возбуждения воз-

можно обеспечить

непрерывную

генерацию света лазером. Особен-

но легко это осуществляется с га-

зовыми лазерами.

Очень важным свойством излу-

чения квантового генератора явля-

ется его когерентность (см. §§ 44

и 124): световые волны, испус-

каемые разными участками све-

тящейся поверхности гене ратора,

находятся в одной фазе; колеба-

ния являются правильными в том

смысле, что их частота постоянна,

а фаза не испытывает нерегулярных изменений. В этом отно-

шении квантовые генераторы намного превосходят все другие

источники света и, по существу, не отличаются от обычных

генераторов радиоволн. Когерентность, правильность излучения

квантового генератора, обусловлена тем, что вынужденно испу-

щенный свет строго согласован с вынуждающим светом, неот-

личим от него. Правильность излучения квантового генератора

настолько велика, что с некоторыми типами таких устройств

удается наблюдать интерференцию пучков света, испускаемых

двумя независимыми генератора. Как отмечено в § 124, с обыч-

ными источниками света такой результат не может быть по-

лучен.

Когерентность, монохроматичность и направленность (колли-



мация) излучения квантовых генераторов позволяют с помощью

собирающих линз фокусировать излучение на малую площадь

размером порядка квадрата длины волны света. Концентрация

энергии в фокусе оказывается настолько большой, что луч ру-

бинового генератора, сфокусированный на стальную пластинку,

мгновенно прожигает в ней тончайшее отверстие.

Эти же свойства квантовых генераторов позволяют предви-

деть многие другие применения, например для передачи энергии




490

Гл. XXII. Строение атома

и для связи на большие расстояния, вплоть до космических. Эти

перспективы объясняют большие усилия физиков и техников,

направленные на дальнейшее совершенствование квантовых ге-

нераторов.

Эйнштейн пришел к выводу о существовании вынужденного излу-

чения путем рассуждений, идею которых упрощенно можно изложить

следующим образом. Рассмотрим непрозрачный сосуд с двумя отвер-

стиями и 2, наполненный газом и помещенный в термостат (рис. 366).

Рис. 366. Пояснение возник-

новения вынужденного излу-

чения


Пусть во всех частях системы уста-

новилась одна и та же температу-

ра. В дальнейшем температура внут-

ри сосуда сама собой изменяться не

может, так как для создания разно-

сти температур (т. е. переноса тепла

от холодного тела к горячему) нужно

затратить работу (см. том I, гл. XIX).

Так как нагретый термостат светится,

в нем присутствует излучение. Ин-

тенсивность пучка излучения, входя-

щего в сосуд через канал 1, должна

равняться интенсивности пучка, вы-

ходящего из канала 2. В противном

случае в сосуд будет вноситься (или

выноситься) энергия и температура внутри него будет изменяться, что

невозможно. Но атомы газа внутри сосуда, находящиеся на нижнем

энергетическом уровне, поглощают свет резонансной частоты, ослабляя

излучение, выходящее через отверстие 2. Следовательно, это погло-

щение должно компенсироваться излучением. Спонтанное излучение

атомов, находящихся на верхнем уровне, не может дать полной ком-

пенсации.

Действительно, при увеличении температуры интенсивность спон-

танного излучения перестает возрастать после того, как населенности

верхнего и нижнего уровней сравняются. В то же время интенсивность

теплового свечения с нагревом возрастает неограниченно; пропорцио-

нально растут интенсивность пучка света, входящего в сосуд, и число

поглощаемых в секунду квантов. Поэтому при очень высокой темпера-

туре спонтанное излучение можно не принимать во внимание. Отсю-

да следует, что должно существовать излучение той же резонансной

частоты, пропорциональное силе света в пучке, и при равной населен-

ности атомных уровней в точности компенсирующее поглощение. Это

и есть вынужденное излучение.



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   262   263   264   265   266   267   268   269   ...   346




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет