Файл: Общая физика (оптика).docx

34.Оптические квантовые генераторы(лазеры). Метастабильный уровень. Особенности лазерного излучения.

В начале 60-х годов был создан квантовый генератор оптического диапазона - лазер “Light Amplification by Stimulated emission of Radiation” - усиления света путем индуцированного испускания излучения. Свойства лазерного излучения: высокая монохроматичность (предельно высокая световая частота), острая пространственная направленность, огромная спектральная яркость. Согласно законам квантовой механики, энергия электрона в атоме не произвольна: она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд значений Е₁, Е₂, Е₃... Е_n, называемых уровнями энергии. Значения эти различны для разных атомов. Набор дозволенных значений энергии носит название энергетического спектра атома. В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах пребывает на самом низком возбужденном уровне Е₁, т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии; остальные уровни Е₂, Е₃.....Е_n соответствуют более высокой энергии атома и называютсявозбужденными.

           При переходе электрона с одного уровня энергии на другой атом может испускать или поглощать электромагнитные волны, частота которых n_mn = (Е_m - Е_n)h,

где h - постоянная Планка (h = 6.62 · 10^-34 Дж·с);

Е_n - конечный, Е_m - начальный уровень.

Возбужденный атом может отдать свою некоторую избыточную энергию, полученную от внешнего источника или приобретенную им в результате теплового движения электронов, двумя различными способами.  Всякое возбужденное состояние атома неустойчиво, и всегда существует вероятность его самопроизвольного перехода в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Он носит нерегулярный, хаотический характер. Все обычные источники дают свет в результате спонтанного испускания. Таков первый механизм испускания (электромагнитного излучения). В рассмотренной двухуровневой схеме испускания света никакого усиления излучения добиться не удастся. Поглощенная энергия hnвыделяется в виде кванта с той же энергией hn и можно говорить о термодинамическом равновесии: процессы возбуждения атомов в газе всегда уравновешены обратными процессами испукания.

§2 Трехуровневая схема

В атомах вещества при термодинамическом равновесии на каждом последующем возбужденном уровне находится меньше электронов, чем на предыдущем. Если подействовать на систему возбуждающим излучением с частотой, попадающей в резонанс с переходом между уровнями 1 и 3 (схематично 1®3), то атомы будут поглощать это излучение и переходить с уровня 1 на уровень 3. Если интенсивность излучения достаточно велика, то число атомов, перешедших на уровень 3, может быть весьма значительным и мы, нарушив равновесное распределение населенностей уровней, увеличим населенность уровня 3 и уменьшим, следовательно, населенность уровня 1.

                        С верхнего третьего уровня возможны переходы 3®1 и 3®2. Оказалось, что переход 3®1 приводит к испусканию энергии Е₃-Е₁=hn_3-1, а переход 3®2 не является излучательным: он ведет к заселению ”сверху” промежуточного уровня 2 (часть энергии электронов при этом переходе отдается веществу, нагревая его). Этот второй уровень называется метастабильным, и на нем в итоге окажется атомов больше, чем на первом. Поскольку атомы на уровень 2 поступают с основного уровня 1 через верхнее состояние 3, а обратно на основной уровень возвращаются с “большим запаздыванием”, то уровень 1 “обедняется”.

          В результате и возникает инверсия, т.е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемымизлучением накачки и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде.

          Как во всяком генераторе, в лазере для получения режима генерации необходима обратная связь. В лазере обратная связь реализуется с помощью зеркал. Усиливающая (активная) среда помещается между двумя зеркалами - плоскими или чаще вогнутыми. Одно зеркало делается сплошным, другое частично прозрачным.

                        “Затравкой” для процесса генерации служит спонтанное испускание фотона. В результате движения этого фотона в среде он порождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Дойдя до полупрозрачного зеркала, лавина частично отразится, а частично пройдет сквозь зеркало наружу. После отражения от правого зеркала волна идет обратно, продолжая усиливаться. Пройдя расстояние l, она достигает левого зеркала, отражается и снова устремляется к правому зеркалу.

                        Такие условия создаются только для осевых волн. Кванты других направлений не способны забрать заметную часть запасенной в активной среде энергии.

                        Выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.

                        В лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси (газовые лазеры), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры).

                        Способы возбуждения (в системе накачки) зависят от типа активной среды. Это либо способ передачи энергии возбуждения в результате столкновения частиц в плазме газового разряда (газовые лазеры), либо передача энергии облучением активных центров некогерентным светом от специальных источников (оптическая накачка в твердотельных лазерах), либо инжекция неравновесных носителей через р-n - переход, либо возбуждение электронным пучком, либо оптическая накачка(полупроводниковые лазеры).

                        В настоящее время создано чрезвычайно много различных лазеров, дающих излучение в широком диапазоне длин волн (200¸2·10⁴ нм). Лазеры работают с очень короткой длительностью светового импульса t »1·10^-12 с, могут давать и непрерывное излучение. Плотность потока энергии лазерного излучения составляет величину порядка 10¹⁰Вт/см² (интенсивность Солнца составляет всего 7·10³ Вт/см²)

35.Лазеры. Усиливающая среда. Порог генерации лазерного излучения.

Лазер- это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и так далее). Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света. Название лазер - это усиление света с помощью вынужденного излучения.  Все лазерные системы можно разделить на группы в зависимости от типа используемой активной среды. Важнейшими типами лазеров являются: 

- твердотельные

- полупроводниковые

- жидкостные

- газовые Активная среда представляет собой совокупность атомов, молекул, ионов или кристалл (полупроводниковый лазер), которая под действием света может приобретать усиливающие свойства.

36 Цепная реакция деления.Критическиеразмеры.Коэффициент размножения нейтронов.Мгновенные и запаздывающие нейтроны.

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана 92U235 в среднем возникает 2,4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в средеk∞. Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс ∞ указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине k∞ определяется коэффициент размножения нейтронов в физической системе k. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки. В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит еще от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определениюk = k∞P.(1)Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени окружающее активную зону вещество отражает нейтроны. С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже критической цепная реакция не идет, даже если k∞ > 1. Наоборот, заметное превышение массы над критической ведет к неуправляемой реакции - взрыву. Если в первом поколении имеется N нейтронов, то в n-м поколении их будет Nkn. Поэтому при k = 1 цепная реакция идет стационарно, при k < 1 реакция гаснет, а при k > 1 интенсивность реакции нарастает. При k = 1 режим реакции называется критическим, при k > 1 – надкритическим и при k < 1 – подкритическим.Время жизни одного поколения нейтронов τ сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от 10–4 до 10–8 с. Из-за малости этого времени для осуществления управляемой цепной реакции надо с большой точностью поддерживать равенство k = 1, так как, скажем, при k = 1.01 система почти мгновенно взорвется. Посмотрим, какими факторами определяются коэффициенты k∞ и k. Первой величиной, определяющей k∞(или k), является среднее число ν нейтронов, испускаемых в одном акте деления. Число зависит от вида горючего и от энергии падающего нейтрона. В табл. 1 приведены значения ν основных изотопов ядерной энергетики как для тепловых, так и для быстрых (Е = 1 МэВ) нейтронов.Обычно ядро-осколок, образующееся в начале деления ядра, не только обладает избытком нейтронов, но и оказывается сильно деформированным. Его потенциальная энергия, вызванная этой деформацией, позволяет ядру «стряхнуть» один или больше нейтронов (это и есть мгновенные нейтроны) за время 10-¹⁴ с, то есть за время, в течение которого собственно и происходит расщепление ядра. Например, ядро ксенона-140, возглавляющее приведенную выше цепочку бета-распада, может само образоваться из осколка (ядра ксенона-141) в результате излучения мгновенного нейтрона. Ядро, обладающее большой потенциальной энергией деформации, физики-ядерщики называют сильно возбужденным^* — довольно подходящее название, если учесть явно выраженное «буйное» поведение таких ядер.Иногда случается, что новое ядро, получившееся в результате бета-распада, находится в достаточно возбужденном состоянии, чтобы излучить еще один нейтрон. Такая ситуация может возникнуть, например, когда превращение нейтрона в протон, которое сопровождает бета-распад, приводит к значительной перегруппировке нуклонов по различным оболочкам и к сопутствующему большому изменению энергии связи всего ядра. Нейтроны, излученные таким образом после бета-распада, называются запаздывающими, так как они могут излучаться через несколько секунд или даже минут после первоначального расщепления. Хотя, как уже указывалось ранее, запаздывающие нейтроны составляют менее одного процента от общего числа нейтронов, образующихся в процессе деления ядра, тем не менее при расчете ядерного реактора это явление необходимо обязательно учитывать. Представьте себе, мы решили им пренебречь и сконструировали ядерный реактор для критической массы, учитывая лишь мгновенные нейтроны.