Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика

486

Гл. XXII. Строение атома

активной средой, т. е. средой, содержащей больше возбужден-

ных атомов, чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий

Рис. 362. Схема действия оп-

тического квантового генера-

тора: 1, 2 — плоскопараллель-

ные зеркала; зеркало 2 слегка

прозрачно. (Угол

α

на рисунке

сильно преувеличен.)

через нее свет, начало которо-

му дает спонтанное излучение од-

ного из атомов. Большое усиле-

ние достигается, когда угол α

очень мал, так что свет испыты-

вает много отражений и все лу-

чи накладываются, усиливая друг

друга. (Это соответствует обра-

зованию в пространстве между

пластинами 1 и 2 стоячей све-

товой волны, см. § 47.) Излу-

чение генератора выходит нару-

жу через зеркало 2. Такой гене-

ратор излучает свет с частотой

ν =

W

− W



h

, где W

− W



— раз-

ность энергий уровней, участвую-

щих в процессе. Построены генераторы и усилители, действую-

щие в диапазоне коротких радиоволн, инфракрасного, видимого

и ультрафиолетового света

1

).

Так как при излучении света атомы переходят с верхнего

уровня на нижний, генерация приводит к быстрому уменьше-

нию избытка населенности верхнего уровня. Если не восполнять

уменьшение, то действие генератора прекратится, как только

избыточная населенность снизится до некоторого предельного

уровня.

Изложенные принципы были осознаны и реализованы только

спустя 3–4 десятилетия после открытия Эйнштейном вынужден-

ного излучения

2

). Причина этого кроется в необычности состо-

яния, когда большая часть атомов находится на верхнем уровне.

В обычных условиях всегда наблюдается обратное положение —

сильнее заселен нижний уровень. Это связано с тем, что для

перехода с нижнего уровня на верхний атому надо сообщить пор-

цию энергии, равную разности уровней W

− W



, тогда как для

1

) Для этих приборов употребляют также названия лазер (мазер) — сокра-

щения английских слов в фразах «Light (Microwave) Amplificatio by Stimulated

Emission of Radiation», т. е. «усиление света (микроволн) при помощи индуци-

рованного излучения».

2

) Толчок этому дали исследования нескольких групп физиков в СССР

(Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, В. А. Фабрикант), США и Канаде.

Гл. XXII. Строение атома

487

обратного перехода подвода энергии не требуется. При низких

температурах только ничтожная доля атомов обладает кинети-

ческой энергией, большей W

− W



. Поэтому возбуждение атома

при атомных столкновениях является исключительно редким

событием, и все атомы находятся на основном уровне. Это про-

является в хорошо известном факте — холодные вещества не

светятся. С повышением температуры населенность возбужден-

ных уровней возрастает и появляется свечение.

При очень высоких температурах, когда кинетическая энер-

гия атомов много больше W

− W



, энергия, необходимая для

возбуждения атома при атомных столкновениях, становится лег-

ко доступной. В этих условиях населенности уровней вырав-

ниваются. Однако добиться, чтобы верхний уровень стал более

населенным, чем нижний, нагревом нельзя. Этого можно достиг-

нуть только с помощью специальных методов, один из которых

мы рассмотрим сейчас при описании оптического квантового

генератора на рубине.

Рубин — кристалл окиси алюминия Al

2

O

3

(корунд), содержа-

щий небольшую примесь окиси хрома. Для работы квантового

генератора используются энергетические уровни атомов (точнее

ионов) хрома, входящих в рубин; схема этих уровней представле-

на на рис. 363. Освещая кристалл зеленым светом, можно пере-

вести атом хрома с основного уровня 1 на уровень 3. С уровня 3

Рис. 363.

Схема энергетиче-

ских уровней атома хрома в ру-

бине

атом в большинстве случаев пе-

реходит на уровень 2, безыз-

лучательным переходом, отдавая

энергию кристаллической решет-

ке корунда, а уже с уровня 2 —

на уровень 1. Скорость перехо-

дов 3

→ 2 в тысячи раз больше

скорости перехода 2

→ 1. Бла-

годаря этому атомы «оседают»

на уровне 2. Если кристалл осве-

щать зеленым и синим светом

очень большой интенсивности, то

на уровень 2 можно перевести

больше половины атомов хрома, содержащихся в кристалле, т. е.

получить то «неестественное» соотношение населенностей уров-

ней, которое нужно для работы квантовых генераторов. Гидрав-

лическая аналогия метода оптической «накачки» для создания

избыточной населенности на возбужденном уровне изображена

на рис. 364.

488

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: