Вынужденное излучение. Лазеры.
Введение
Актуальность предлагаемого для изучения материала очевидна – лазер все шире проникает во все сферы жизни современного человека. Наши школьники пользуются CD-плеерами, посещают дискотеки, где широко используются возможности лазера как источника света, обладающего особыми свойствами и яркостью. Знают, что лазеры применяются в системах связи и медицине. Не ослабевает интерес к исследованиям по применению лазеров в военном деле. Все эти и другие сведения о лазерах широко освещаются в прессе. Однако, в большинстве случаев, знания ребят этим и ограничиваются. Данный урок поможет исправить сложившуюся ситуацию.
Цели: дать понятие о вынужденном излучении; познакомить с принципом действия лазеров, свойствами лазерного излучения и его применением.
Задачи: познакомить учащихся с теорией вынужденного излучения; рассказать о принципе работы, устройстве и применении лазеров; развить познавательный интерес учащихся.
Примечание: для объяснения нового материала используется презентация, составленная в MS PowerPoint и демонстрация с CD "Открытая физика".
Сценарий занятия:
- Организация учащихся.
- Изучение нового материала.
Индуцированное излучение.
В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность т.н. индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Главной особенностью такого излучения является то, что возникшая при излучении световая волна не отличается от падающей на атом волны ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.
В рамках квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, а под влиянием внешнего воздействия. В 1940 г. В. А. Фабрикант говорил о возможности использования вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американец Ч. Таунс создали на основе этого явления микроволновый генератор радиоволн (МАЗЕР) с длиной волны λ = 1,27 см. В 1963 г. они получили Нобелевскую премию. В 1960 г. в США был создан первый лазер.
ЛАЗЕР – квантовый генератор, источник мощного оптического излучения (laser – аббревиатура выражения light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света вынужденным излучением). Принцип действия лазера тот же, что и у ранее созданного мазера, поэтому его иногда называют оптическим мазером. В обоих этих устройствах излучение избыточной энергии возбужденных атомов вынуждается внешним воздействием. Лазер отличается от обычных источников света (например, лампы с вольфрамовой нитью) двумя важными свойствами излучения. Во-первых, оно когерентно, т.е. пики и провалы всех его волн появляются согласованно, и эта согласованность остается неизменной в течение достаточно длительного времени. Все обычные источники света эмиттируют некогерентное излучение, в котором нет согласованности между пиками и провалами различных волн. В некогерентном процессе световые волны излучаются независимо друг от друга, энергия излучаемого пучка рассеивается по пространству и быстро убывает по мере удаления от источника. При когерентном излучении волны испускаются не хаотично и могут усиливать друг друга. Лучи лазерного пучка почти параллельны между собой, поэтому он расходится незначительно даже на больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучок диаметром 30 см направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световое пятно диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии свет от обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Вторая особенность лазерного излучения – монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит, что от конкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти всех существующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого спектра и соответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым. Лишь немногие традиционные источники (например, лампы низкого давления, наполненные разреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их излучение не когерентно и малоинтенсивно.
Принцип действия лазера.
Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других, как поток особых частиц (фотонов). Мы будем рассматривать свет как электромагнитную волну, электрическая и магнитная компоненты поля которой колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях и перпендикулярно направлению распространения волны. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе. Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний – либо в основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы – с повышением или понижением энергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными – вынужденное поглощение и вынужденное излучение.) При вынужденном поглощении число квантов уменьшается, и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает. Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект – усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта операция так и называется – накачка. Типы лазеров различаются в основном по видам накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде. Рис. 1 и 2 поясняют действие рубинового лазера. Посеребренные торцы цилиндрического стержня из искусственного рубина служат зеркалами (рис. 1).
рис. 1. Рубиновый лазер – усовершенствованная схема кон-струкции Т. Меймана (1960). Основные его элементы – цилиндриче-ский рубиновый стержень с плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было в устройстве Меймана) и газораз-рядная лампа накачки. 1 – посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 – рубиновый стержень; 3 – охлаждающая жидкость; 4 – газоразрядная лампа накачки; 5 – кожух (трубка) охлаждения; 6 – слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало). Одно из них покрыто менее плотным слоем серебра, поэтому оно полупрозрачно и через него излучается лазерный свет. Рубин – кристалл, состоящий из окиси алюминия с примесями окиси хрома. Атомы алюминия и кислорода не играют определяющей роли в лазерной генерации; главные энергетические переходы реализуются в хроме. При возбуждении атомы хрома переходят из основного состояния на один из двух уровней возбуждения, обозначенных F1 и F2 (рис. 2).
рис. 2. Действие лазера начинается с возбуждения атомов хрома и их переходов на энергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный атом спонтанно (самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного излучения) и, потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный уровень E. Далее, под воздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть в излучении лампы накачки) атом излучает еще один такой же квант, согласованный по фазе с вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень. Они довольно широки, и атомы хрома возбуждаются многими длинами волн света накачки. Однако вследствие нестабильности они мгновенно покидают уровни F и переходят на более низкий уровень E; при этих переходах излучения не происходит, а высвобождаемая энергия передается кристаллической решетке окиси алюминия, где и рассеивается в форме тепловых потерь. Однако с уровня E атом хрома излучает вынужденно и переходит вследствие этого на основной уровень. Кванты, эмитированные атомами хрома, многократно отражаются между посеребренными зеркалами рубинового стержня и по пути вынуждают многие возбужденные атомы испускать такие же кванты; процесс нарастает лавинообразно и заканчивается импульсом лазерного света. Полупрозрачное зеркало должно хорошо отражать лазерное излучение, чтобы обеспечить необходимую интенсивность его вынуждающей доли, но одновременно и побольше пропускать его на выход; обычно его коэффициент отражения – около 80%. При самопроизвольном излучении атом хрома пребывает на возбужденном уровне E не более 10-7 с, а при вынужденном – в 10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому у лазерного света достаточно времени, чтобы вызвать вынужденное излучение огромного числа возбужденных атомов активной среды.
Типы лазеров.
Лазерное излучение реализовано во многих активных средах – твердых телах, жидкостях и газах.
Твердотельные лазеры с оптической накачкой. Лазерный эффект в твердом теле осуществляется благодаря наличию в нем примеси (например, окиси хрома в случае рубина), концентрация которой – единицы процентов. Примеси неодима обеспечивают лазерную генерацию многих твердых структур, из которых чаще используются стекло и алюмоиттриевый гранат (АИГ). Такие лазеры излучают короткие импульсы очень высокой мощности, пиковое значение которой ограничено сверху лишь световым пробоем в активной среде, вызывающим ее повреждение (например, локальное плавление). Лазер на стекле с неодимом (диаметр стержня 10 см) при длительности импульса в одну миллиардную секунды может обеспечить пиковую мощность около триллиона ватт. У более длительных импульсов пиковая мощность меньше.
Газовые лазеры. Многие газы и газовые смеси при возникновении в них электрического разряда начинают генерировать лазерное излучение. Их пучки характеризуются очень высокой степенью когерентности и малой расходимостью, близкой к теоретическому пределу; по этим параметрам они выгодно отличаются от пучков твердотельных лазеров. Для решения прикладных задач успешно применяются лазеры с газовой смесью в качестве активной среды (углекислого газа с азотом и гелием, гелия с неоном или криптона с фтором). Лазер первого типа излучает в инфракрасной области спектра; в непрерывном режиме генерации у него высокий КПД и большая выходная мощность. Его широко применяют при резании и сварке различных материалов. Гелий-неоновый лазер излучает видимый (красный) свет; его используют во многих исследовательских и образовательных программах. Лазер на криптоне с фтором – наиболее эффективный из генераторов излучения в ультрафиолетовой области спектра.
Химические лазеры. В ходе некоторых химических реакций выделяется много энергии, и в конечных продуктах таких реакций оказывается достаточно возбужденных атомов, чтобы осуществить лазерную генерацию. Наиболее перспективным из лазеров этого типа представляется генератор на фтороводороде, образующемся при прямом взаимодействии атомарных компонентов. Из-за особенностей природы химических лазеров их непрерывная генерация затруднительна. Но этот недостаток восполняется достоинством их импульсных модификаций – они требуют малых энергетических затрат, а составляющие активной среды химических лазеров легко транспортируются на отдаленные объекты, где есть проблемы с сетевым питанием (например, космические летательные аппараты). Лазер на фтороводороде может излучать импульсы очень большой энергии (в несколько тысяч джоулей) при весьма скромном блоке питания.
Полупроводниковые лазеры. Если через полупроводниковую структуру типа транзисторной пропускать электрический ток, то можно добиться лазерного эффекта. Габариты и выходная мощность полупроводниковых лазеров малы, но их КПД высок. Такие лазеры делают в основном на арсениде или алюмоарсениде галлия; применяют их главным образом в системах связи.
Лазеры на красителях. Многие жидкие органические красители генерируют лазерное излучение при накачке ультрафиолетовым излучением, газоразрядными импульсными лампами и лазерами (обычно газовыми) непрерывного действия. У лазеров на красителях два важных достоинства: во-первых, они способны перестраиваться по длине волны и, во-вторых, могут излучать сверхкороткие импульсы – длительностью менее одной триллионной доли секунды. В связи с этим лазеры на красителях широко применяются в методах спектроскопии, в том числе в спектральном анализе с временным разрешением.
Применение лазера.
Возможности лазера огромны. Сфокусированный до толщины человеческого волоса луч лазера легко пробивает тончайшие отверстия в самых твердых веществах: алмазе, карбиде бора, в сверхтвердых искусственных материалах. Лазеры применяют для точечной сварки миниатюрных деталей полупроводниковых приборов, плавки в вакууме тугоплавких металлов, выплавления сверхчистых металлов из руд, обработки керамики и других операций, где необходима предельная концентрация энергии. Лазеры играют заметную роль в хирургии, т.к. лазерный нож почти герметически закупоривает любой разрезанный сосуд. С их помощью можно решить энергетическую проблему, если удастся осуществить управляемый лазерный термоядерный синтез. В Австралии построен маяк, оборудованный лазером, создающим столь яркий луч света, что он видим на много миль вокруг даже в плохую погоду.
Лазеры используются в системах связи, в метрологии, в искусстве и космических исследованиях – везде они служат людям. Однако есть и другая сторона этого открытия – лазер может убивать. Первое военное применение лазер нашел в устройстве для наведения бомб, ракет и артиллерийских снарядов. Лазерное наведение бомб американские войска впервые использовали во Вьетнаме в апреле 1972 г. Сейчас американские военные разрабатывают лазер, способный повалить человека. Это оружие окрестили импульсной энергетической пулей или сокращенно РЕР. Стрелять из этого "бластера межзвездного рейнджера", судя по официальным документам министерства обороны, начнут уже в 2006 году. С двух километров с его помощью можно разогнать толпу хулиганов. Появлению этого проекта предшествовал другой – создание боевого импульсного лазера, который Пентагон начал больше десяти лет назад. Не так давно военные с помощью построенного в Израиле лазера сбили пушечный снаряд.
- Итог занятия.
Сегодня мы с вами познакомились с замечательным изобретением человека - лазером. Как видите, это удивительное устройство находит все большее применение в различных сферах жизнедеятельности человека. На следующем занятии мы с вами продолжим знакомство с лазером и узнаем о еще одном его применении.