Физика-2 курсы бойынша 2006-2007 оқу жылына арналған тірек конспектілері
Жұту. Тосын және мәжбүр сәуле шығару
жүктеу/скачать 6,81 Mb.
|
Лекция Физика 2 - каз
- Бұл бет үшін навигация:
- Жұту коэффициентін
| Жұту. Тосын және мәжбүр сәуле шығару.Лазер.
Заттың атомдары энергияның дискретті мәндері бар E1, E2, E3 күйлерде болуы мүмкін. Атом энергиясы E1 негізгі күйде сыртқы әсер болмаған жағдайда көп уақыт бола алады. Энергиясы E2 > E1 қозған күйдегі атом өзінен-өзі негізгі күйге ауысып, ΔE = E2 - E1 артық энергисын жарық сәулесі ретінде шығарады. Мұндай сәуле шығару өздігінен немесе тосын сәуле шығару деп аталады. Жеке атомдардың негізгі күйге тосын ауысулары бір-біріне байланысты емес, сондықтан тосын сәуле шығару когерентті болмайды. 1916 ж. А. Эйнштейн кванттық жүйелердің электромагниттік өріспен әсерлескенде энергияның және импульстың сақталу заңдарының негізінде теория жасады. 1-ауысулар кезінде фотон шығарылады, олар тосын 22.1-сурет. ауысулар үшін енгізілген коэффициенті деп аталатын ықтималдықпен Anm сипатталады. Anm коэффициенті 1 с ішінде n күйден m күйге тосын ауысулар болу ықтималдығын суреттейді. Электромагниттік өрістегі диполь өзінің меншікті тербелістері мен өріс тербелістерінің арасындағы фазаларының қатынастарына байланысты, немесе өрістен энергия жұтады, немесе өріске мәжбүр сәуле шығару ретінде энергия береді. Осы процестерге мәжбүрлік ауысулар сәйкес келеді: а) энергиясы аз m күйден энергиясы үлкен n күйге жұту процесі (22.1-сурет), б) мәжбүр сәуле шығаруға ауысулары (22.2-сурет) сәйкес келеді. Соңғы процестер Эйнштейннің Bnm коэффи- 22-2-сурет 22.3-сурет. циенттерімен суреттеледі .Мұндай ауысуларда атом түскен фотонға қосымша фотон шығарады (22.3-сурет), электромагниттік толқын зат арқылы өткенде, оның жиілігі, бағыты, фазасы мен поляризациясы өзгермей, интенсивтілігі артады, яғни, жарықты кері жұту байқалады және мәжбүр сәуле шығару түскен сәулемен когерентті болады. Жоғарыда айтылғандай, Bnm = Bmn (Bmn – Эйнштейннің жарықты жұтуға арналған коэффициенті), яғни, мәжбүрлі және ауысулардың ықтималдықтары. Тепе-теңдік жағдайда фотон шығарудың толық ықтималдығы (тосын және мәжбүр сәуле шығару) сол жиіліктегі фотондарды жұту ықтималдығымен тең болу шартын қолданып, Эйнштейн бұрынырақ жылулық сәуле шығаруда Планк алған Кирхгофтың универсалдық функциясының формуласын шығарды. 1954 ж. (Басов Н.Г., Прохоров А.М.,Ч. Таунс) радиотолқынның сантиметрлік диапазонында істейтін кванттық генератор (мазер) ойлап табылды.1960 ж. АҚШ-та (Т.Мейман) көрінетін жарық және жақын инфрақызыл облыстарда жұмыс істейтін лазер деп аталатын генераторлар мен күшейткіштер пайда болды. Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайда атомдардың энергиялық күйлер бойынша үлестірілуі Больцман заңымен анықталады: (22.11) N – атомдардың толық саны, Ni –энергиясы Ei температурасы Т күйлердегі атомдар саны. (22.11) формуласынан күйлер энергиясы үлкейген сайын деңгейлердегі орналасу, яғни, берілген күйдегі атомдар саны азаяды және термодинамикалық тепе-теңдіктегі атомдар жүйесінде түскен жарық толқындарын жұту мәжбүр сәуле шығарудан гөрі басыңқырақ болады да, жарық ортадан өткенде әлсірейді. Ортада толқынның күшеюі үшін, онда деңгейлердің инверсиялық орналасуын алу керек, яғни, энергиясы үлкенірек күйлердегі атомдар саны энергиясы азырақ күйлердегі атомдар санынан көп болу керек. Больцман үлестірілуінен мынаны алуға болады: (22.12) Инверсиялық орналасу кезінде Nn/Nm > 1. Бұл жуықтауды (11.21) формальды түрде қарастырсақ, Т үшін теріс мән аламыз, сондықтан инверсиялық орналасу күйлерін кейде теріс температуралы күйлер деп атайды. Қалыңдығы х ортадан өткен жарық интенсивтілігінің азаюы Бугер формуласымен суреттеледі: (22.13) мұндағы k –жұту коэффициенті, I0 – ортаға түскен жарықтың интенсивтілігі (х = 0). Иневерсиялық орналасуы бар ортада мәжбүр сәуле шығару жарықты жұтудан гөрі басымырақ болады, сондықтан өткен сәуле шоғы күшейеді. Жұту коэффициентін формальдық түрде теріс деп санауға болады. Кейбір заттарда инверсиялық орналасуды алғаннан кейін ғана лазерді жасауға мүмкіндік туды. Активті ортаның түрлеріне қарай лазерлар қатты денелік, газдық, жартылай өткізгіштік және сұйықтық болып бөлінеді. Лазерлар тағы да толтыру әдісі бойынша – оптикалық, жылулық, химиялық және т.б. болып бөлінеді; генерациялау режімі бойынша – үздіксіз және импульстік режімдегі лазерлар болып бөлінеді. Лазер құрамында негізгі 3 бөлік бар: активтік орта, онда инверсиялық орналасу күйлері жасалады; активтік ортада инверсия жасайтын толтыру жүйесі; активтік ортада фотон шоқтарының бағытын және шығуын қамтамасыз ететін резонатор. Ортаны инверсиялық күйге ауыстыратын процесті активтік ортаны толтыру дейді. Іс жүзінде ол үш деңгейлік схемамен орындалады. Бірінші сондай лазер активтік орта рубин кристалында (алюминий тотығы Al2O3 мен хром тотығының Cr2O3қоспасы) жасалынды. Атап айтқанда, хромның ионы Cr3+ активтік орта болып табылады, ол Al2O3 кристалдық торындағы Al атомдарының кейбір бөлігінің орнын басып, мәжбүр сәуле шығаруға керек ауысуларды қамтамасыз етеді. Cr3+ -ың энергиялық деңгейлерінің схема- 22.4-сурет. сында негізгі деңгейге 1 жақын екі энергиялық зоналар 3 және қос метатұрақты деңгей 2 бар. Рубинге қуатты импульстік толтыру лампасынан интенсивті жасыл жарық түсіргенде хром иондары 3 зона деңгейлеріне ауысады, одан 2 деңгейге сәуле шығармай ауысады (22.4-сурет) және аз мөлшерде тосын ауысулар 3→1 болуы мүмкін. Энергияның артығы рубин торына беріледі. 2→1 ауысулары іріктеу ережесімен шектелгендіктен , хром иондарының метатұрақты деңгейдегі 2 өмір сүру уақыты (~10-3 с) 3 күйлердегі қозған иондардың өмір сүру уақытынан (~10-8 с) әлдеқайда артық болғандықтан, 1 негізгі күйге қарағанда хром иондарының инверсиялық орналасу деңгейі 2 жасалады. Рубиндық лазерда екі параллель айна резонатор ретінде пайдаланылады, олардың арасында активті орта орналастырылған. Айнаның біреуінен сәуле толық шағылады, ал екінші айна- жартылай мөлдір. Лазерлық сәуле шығаруда тек оптикалық өске параллель қозғалған фотондар ғана қатысады, олар айналардан көптеген рет шағылып, екінші ретті фотондар шығуына ықпал жасайды, соңғылар 22.5-сурет. өз кезегінде мәжбүр сәуле шығуына себеп болады және басқалар. Көп есе күшейген фотондар ағыны жартылай мөлдір айна арқылы сыртқа шығарылады. Лазердан шыққан толқын ұзындықтары - 6927 және 6943. Үздіксіз істейтін бірінші газдық лазер (1961 ж.) неон мен гелий атомдарының қоспасы негізінде істеді. Инверсиялық орналасу деңгейлері газдағы электрлік разряд арқылы жасалды. Разряд кезінде пайда болған электрондар соқтығысу кезінде гелий атомдарын қоздырады, олар 3 –деңгейге ауысады (9.4 сур.), одан 1 деңгейге іріктеу ережесі бойынша ауысуға болмайды. Не –дің қозған атомдарының энергиясы соқтығысу кезінде неон атомдарына беріледі, олар Не энергиясына жақын Ne –ның біріне ауысады. Ne атомдарының жоғарғы 3' деңгейден төменгі деңгейлердің 2 біріне ауысқанда неон атомдары толқын ұзындығы λ = 0,6328 мкм лазерлық сәуле береді. Лазерлық сәулелердің негізгі қасиеттері: 1. Уақыттық және кеңістіктік когеренттілік ( ~ 10-3 с; ~ 105 м, бұл қарапайым жарық көздеріне қарағанда 7 дәреже жоғары). 2. Жоғары монохроматтылық (Δλ < 10-11 м). 3. Лазер сәулелерінің өткір бағыттылығы ( -минимальдық алшақтау бұрышы дөңгелек экрандағы дифракция бұрышынан аз болуы мүмкін емес; d – лазердегі айна диаметрі; Θmin ~10-5 рад. 4. Энергия ағынының үлкен тығыздылығы. жүктеу/скачать 6,81 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|