8902

10

Рис 7.

Преломление волновых фронтов на поверхности раздела

двух сред

Преломление наблюдается, когда фазовые скорости электромагнитных волн в контактирующих средах различаются. В этом случае полное значение скорости волны должно быть разным по разные стороны границы раздела сред. Однако если проследить движение, например, гребня волны вдоль границы раздела — то соответствующая скорость должна быть одинаковой для обеих «половинок» волны (поскольку при пересечении границы максимум волны остается максимумом, и наоборот; то есть можно говорить о синхронизации падающей и прошедшей волны во всех точках границы, см. верхний рисунок). Из простого геометрического построения получаем, что скорость движения точки пересечения гребня с линией, наклонённой к направлению распространения волны под углом , будет равна , где — скорость распространения волны. Это ясно из того, что, пока гребень волны пройдёт в направлении своего распространения (то есть перпендикулярно гребню) расстояние, равное катету треугольника, точка пересечения гребня с границей пройдёт расстояние, равное гипотенузе, а отношение этих расстояний, равное синусу угла, и есть отношение скоростей.

Тогда, приравняв скорости вдоль границы раздела для падающей и прошедшей волн, получим , что эквивалентно закону Снелла, поскольку показатель преломления определяется как отношение скорости электромагнитного излучения в вакууме к скорости электромагнитного излучения в среде: .

11

12

Лазерные источники света

Лазер принципиально новый источник света. От излучения обычных источников (лампы накаливания, лампы дневного света и т.д.) излучение лазера отличается тем, что оно близко к монохроматическому, обладает исключительно высокой временной и пространственной когерентностью, очень малой расходимостью, а, следовательно, исключительно высокой плотностью электромагнитной энергии. Кроме того луч лазера поляризован.

13

Принцип действия лазера основан на трех физических явлениях: вынужденное излучение, инверсия населенности и положительная обратная связь.

Поведение атомов (молекул) подчиняется законам квантовой механики, согласно которым значения физических величин (например, энергии Е) могут принимать лишь определенные (дискретные) значения. Для энергии эти значения принято графически изображать в виде так называемых уровней энергии (рис.1).

Самый нижний энергетический уровень называется основным, так как отвечает наиболее устойчивому состоянию частицы. Остальные уровни с более высокими значениями энергии называются возбужденными.

Процесс, сопровождающийся увеличением энергии атома, изображается как переход на более высокий энергетический уровень, процесс с уменьшением энергии - как переход на более низкий уровень.

Рассмотрим взаимодействие электромагнитного излучения (света) с атомами.

Первый вид взаимодействия:атом, находясь в основном состоянии, поглощает фотон, энергия которого достаточна для перехода в одно из возбужденных состояний (рис. 1а).

(1)

и второй: атом, находящийся в возбужденном состоянии,

спонтанно (самопроизвольно) переходит в более низкое энергетическое состояние: этот переход сопровождается излучением фотона (рис. 1в).

14

При спонтанных переходах различные атомы излучают неодновременно и независимо, поэтому, фазы излучаемых фотонов не связаны между собой, направление излучения, его поляризация носят случайный характер, а частота излучения колеблется в некоторых пределах, определяемых шириной энергетических уровней Е1и Е2.

Спонтанное излучение ненаправленное, неполяризованное, немонохроматичное.

Существует, однако, третий вид взаимодействия, который называется вынужденным излучением. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии (рис.2), падает излучение с частотойν соответствующей переходу атома в более низкое состояние (1), то атом переходит в него вынужденно под действием этого фотона, излучая при этом свой фотон, который называется вынужденным излучением.

15

Исключительно важно отметить характерное свойство вынужденного излучения: излученная волна (фотон) имеет точно то же направление и фазу, что и вынуждающая. Кроме этого эти две волны имеют одинаковые частоты и состояния поляризации.

При переходах 1→2 (рис. 1а) внешнее излучение поглощается, а при вынужденных переходах 2→1 (рис.2) наоборот, усиливается, т.к. к внешнему фотону добавляется фотон, испущенный атомом. Вероятности переходов 1→2 и 2→1 одинаковы. Если большинство атомов находится в возбужденном состоянии, то тогда чаще будут происходить переходы 2→1. Другими словами, для усиления внешнего излучения необходимо, чтобы населенность уровня 2 была выше населенности уровня 1 или необходимо создать инверсию заселенности уровней.

При температуре Т число атомов N в состоянии с энергией Е определяется формулой Больцмана

N~exp(-E/kT)

где k– постоянная Больцмана.

Отсюда видно, что чем больше энергия состояния Е, тем меньше число N атомов находится в этом состоянии. Значит, в равновесном состоянии больше населены нижние уровни, и поглощение света преобладает над усилением.

Инверсия заселенности уровней отвечает неравновесному состоянию атомов среды.

16

Создать такое состояние можно искусственно, подводя энергию к рабочему веществу, за счет которой атомы переводятся на верхний

энергетический уровень. Такой процесс называетсянакачкой. В разных типов лазеров накачка осуществляется по-разному: в твердотельных лазерах осуществляется за счет поглощения света от дополнительных ламп, в газовых - за счет передачи атомам газа энергии ускоренных электрическим полем электронов при их столкновениях.

Среда, в которой осуществлена инверсия заселенности, называется активной средой.

3

Слово "лазер" составлено из начальных букв английской фразы: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает: "усиление света с

помощью вынужденного излучениям". Рис 10. Лазеры также называют оптическими квантовыми генераторами (ОКГ).

Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.

Основным элементом гелий-неонового лазера непрерывного

действия является трубка 2 (рис.3), наполненная смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 мм.рт.ст., соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными пластинами 3, установленными под углом Брюстера к ее оси.

Накачка в газовом лазере осуществляется за счет энергии источника питания, поддерживающего тлеющий разряд между катодом 4 и анодом 5. Разряд в трубке возникает при 1,5-2,0 кВ. Разрядный ток трубки составляет десятки миллиампер.

Рабочими атомами гелий-неонового лазера являются атомы

неона, излучающие красные фотоны (λ =632,8 нм), На рис. 4 приведена упрощенная схема уровней атомов неона и гелия.

17

В чистом неоне заселение состояний 3Sпри накачке малоэффективно, поскольку этот уровень имеет малое время жизни, и атом неона спонтанно переходит в состояние 2Р.

Ситуация меняется, когда к неону добавляют гелий. Энергия уровня 2Sгелия равна энергии уровня 3Sнеона. Уровень же энергии 2Sгелия является долгоживущим и эффективно заселяется при накачке. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона энергия передается атомам неона. В результате создается инверсная заселенность рабочего уровня

3Sнеона.

18,6

Рис.11

После этого в активной среде происходят многочисленн ые акты

спонтанных

переходов

3S→2P,

появляющиеся

фотоны (λ=632,8 нм) приводят к вынужденным переходам. Те фотоны, которые движутся под некоторым углом к оси трубки, не участвуют в получении луча лазера. Формирование луча лазера идет только за счет фотонов, испускаемых вдоль оси трубки.

Усиление луча идет значительно быстрее, если свет возвращать обратно в активную среду, где он снова будет усиливаться за счет вынужденных переходов. О такой ситуации говорят как об обратной связи. Для создания положительной обратной связи в лазерах используют оптический резонатор, который представляет собой два зеркала 1 (рис.3).

18

Нарастание интенсивности вынужденного излучения происходит лавинообразно, и она становится существенно больше интенсивности спонтанного излучения, которое в дальнейшем можно не учитывать.

Генерация луча лазера начинается в тот момент, когда увеличение энергии излучения за счет вынужденных переходов превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Для вывода луча из резонатора одно из зеркал 1 делается полупрозрачным. Поверхности обоих зеркал покрыты пленками, толщина которых подбирается таким образом, чтобы отражались волны нужной длины волны, а все другие гасились.

Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%.

Характеристики лазерного излучения.

I.Когерентность излучения

Высокая когерентность лазерного излучения обусловлена свойствами вынужденного излучения: возникающие новые фотоны согласованы с падающими по фазе. Таким образом, волны, излученные разными атомами, оказываются согласованными по фазе, т.е. когерентными.

II.Монохроматичность

Вначале возникновения луча лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порожденных отдельными фотонами, испущенны спонтанно вдоль оси резонатора. В преимущественном положении оказываются те волны, которые проходя

активную среду в прямом и в обратном направлении, будут усиливать себя, т.е. на оптическом пути 2 будет укладываться целое число длин волн:2l=mλ (m – целое число,l -длина резонатора).

Взависимости от значения mмогут возникнуть стоячие волны различных длин волн, (называемыемодамирезонатора), которые конкурируют между собой. В наиболее благоприятных условиях оказываются те из волн, для которых длина волны совпадает с вершиной спектральной линии или расположена вблизи ее (рис.5).

19

Рис. 13

Интенсивность таких волн возрастает, т. к. вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности вынуждающей волны, при этом подавляется усиление волн, удаленных от вершины спектральной линии. В результате может наступить режим одномодовой генерации, который характеризуется высокой степенью монохроматичности волны Δλ. Обычно у лазеров Δλ~0,01 нм. У лучших обычных источников Δλ~30 нм (ртутная лампа). В специальных лазерах достигнута монохроматичность Δλ~5*10-7нм. Это в сто раз меньше естественной ширины спектральной линии Δλест~10- 5нм. До лазеров естественная ширина спектральной линии считалась пределом монохроматичности, но и она была недостижима вследствие доплеровского уширения.

III. Поляризованность.

Луч лазера является плоскополяризованным светом, что обусловлено, вопервых, согласованностью плоскостей колебаний

светового вектора в вынуждающем и вынужденном фотонах.

Во-вторых, при отражении луча от пластин 3 (рис.3) выполняется закон Брюстера:

tgiбр=n21,

поэтому отраженный луч является плоскополяризованным.

IV. Направленность излучения.