Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| Гл. XXII. Строение атома
Устройство рубинового генератора показано на рис. 365. «Накачивающая» вспышка зеленого и синего света возникает при разряде конденсатора 1 через импульсную газоразрядную Рис. 364. Гидравлическая аналогия метода оптической «накачки» для создания избыточной населенности на возбужденном уровне. Высота столба воды в баке 2 возрастает при работе насоса 4 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 1, 2 и 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 4 со строго плоскопа- раллельными отполированными торцами, на которые нанесены зеркальные слои. Как только под действием «накачивающей» вспышки на уровне 2 (рис. 363) накопится достаточный избыток атомов по сравнению с уровнем 1, возникает рассмотренный ранее процесс генерации света с частотой, соответствующей разности уровней 2 и 1 (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: 1 — конденсатор, 2 — газо- разрядная лампа, 3 — отра- жающий кожух, 4 — рубино- вый стержень, 5 — источник питания, служащий для за- рядки конденсатора 1 только во время разряда конденса- тора 1 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 1 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.
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|