Теоретическое введение. В статье подробно приведены способы настройки, подключения и диагностики сетевых подключений

В статье подробно приведены способы настройки, подключения и диагностики сетевых подключений.
Если у вас возникли сомнения в собственных возможностях настройки и подключения сети, то лучше обратиться за помощью к специалистам, или еще раз внимательно прочитать статью.

 

ЛАЗЕР: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Цель работы:

1. Ознакомиться с физическими основами действия лазеров, устройством газового гелий-неонового лазера и свойствами его излучения.

2. Практически проверить основные свойства лазерного излучения (высокая направленность, монохроматичность, когерентность, поляризованность,).

 

Теоретическое введение

Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) - это источники электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового, инфракрасного), отличающиеся от обычных источников (тепловых и люминесцентных) чрезвычайно высокими монохроматичностью и когерентностью излучения. Такое отличие свойств лазерного излучения вызвано отличием в способе его получения: если в обычных источниках оно возникает в результате спонтанных (самопроизвольных) переходов атомов (молекул) из состояний с большой энергией в состояния с меньшей энергией, то в лазерах - в результате вынужденных (индуцированных) переходов. Кроме того, излучение многих типов лазеров отличается высокой направленностью и поляризованностью, а у некоторых типов лазеров – также чрезвычайно высокой мощностью.

Излучение называется монохроматичным (от греч. – одноцветный), если содержит волны только одной частоты. Обычный белый свет содержит разные цвета, то есть волны разных частот, и поэтому немонохроматичен.

Когерентность (от лат. – находящийся в связи) – согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Накладывающиеся в пространстве волны называются взаимно когерентными, если разность их фаз в каждой точке постоянна во времени. При наложении взаимно когерентных волн возникает явление интерференции: в одних точках пространства волны усиливают друг друга, одновременно ослабляя друг друга в соседних точках. При интерференции световых волн возникает устойчивая интерференционная картина – чередование светлых и темных полос. Наряду с понятием взаимной когерентности волн используется понятие просто когерентности излучения. Различают когерентность временнýю и пространственную.

Для объяснения временнóй когерентности рассмотрим опыт, схема которого показана на рисунке 5.1 а. Поверхность S источника испускает монохроматическое излучение. Луч, идущий из точки A, разделяется полупрозрачным зеркалом M₁ на два луча - 1 и 2, которые с помощью зеркала M₂ вновь совмещаются в точке B экрана N. Следовательно, в точке B складываются колебания электромагнитного поля, возбужденные одной и той же точкой A излучателя, но прошедшие до точки наложения различные оптические пути и и затратившие на прохождение этих путей различное время и , где c - скорость света в вакууме.

 

То есть в точке B складываются колебания поля, возбужденные в точке A источника в различные моменты времени с задержкой

 

.

Если накладывающиеся на экране волны дают устойчивую интерференционную картину даже при большой оптической разности хода

 

,

 

то есть при большой временной задержке , то говорят, что излучение источника S имеет большую временнýю когерентность. Наибольшая оптическая разность хода Δ l волн, испущенных одной точкой излучателя, при которой еще возможна их устойчивая интерференция, называется длиной когерентности излучения. Соответствующий временной интервал называется временем когерентности. Временнáя когерентность снижается, если излучение немонохроматично, то есть содержит волны разных частот. Для белого света длина когерентности мала - порядка 1 мкм, для лазерного излучения может достигать нескольких километров.

Под пространственной когерентностью излучения понимают способность к интерференции волн, испущенных различными точками излучающей поверхности. Радиусом когерентности (см. рисунок 5.1 б) называется наибольшее расстояние между точками C и D излучателя, дающими в равноудаленной от них точке E экрана N устойчивую интерференционную картину. Как правило, у лазеров радиус когерентности равен поперечному размеру пучка, в то время как у обычных источников составляет лишь доли микрометра.

Рассмотрим принцип действия источников когерентного электромагнитного излучения – лазеров. В соответствии с основными положениями квантовой механики энергия структурных единиц вещества: атомов, ионов, молекул (далее будем называть их атомами), - может принимать только некоторые разрешенные значения. Совокупность этих разрешенных значений (энергетических уровней) образует энергетический спектр атома и изображается с помощью энергетической диаграммы (рисунок 5.2).

При абсолютном нуле (Т = 0 К) все атомы вещества находятся в так называемом основном состоянии с наименьшей возможной энергией E ₀. При T >;0 К часть атомов переходит в различные возбужденные состояния с энергиями E ₁, E ₂, E ₃, … Насёленностью уровня называется количество атомов в единице объема вещества, находящихся в состоянии с энергией . В обычных условиях термодинамического равновесия населённость уровней уменьшается с ростом энергии уровня.

Испускание и поглощение света в среде происходит при так называемых излучательных переходах атомов среды из состояний с одной энергией в состояния с другой энергией. Если начальная энергия атома E_n больше конечной E_m (переход "сверху вниз"), то при излучательном переходе испускается квант электромагнитного излучения с энергией . Излучательный переход "снизу вверх" (E_n < E_m) требует поглощения кванта с энергией .

По А. Эйнштейну возможны два типа излучательных переходов. Во-первых, это спонтанные (самопроизвольные) переходы "сверху вниз" (смотри рисунок 5.3 а).

Поскольку возможно множество различных спонтанных переходов (E ₁ →E ₀, E ₂ →E ₁, E ₂ →E ₀ и другие), а каждому из них соответствует своя частота испущенной волны, то возникающее из-за спонтанных переходов излучение немонохроматично. При этом фаза, направление распространения и поляризация волн, соответствующих излучаемым квантам, различны. Немонохроматическое, ненаправленное, неполяризованное излучение обычных источников, имеющее малую когерентность, обусловлено именно спонтанными переходами.

Во-вторых, между каждой парой уровней E_n и E_m (будем считать, что E_n > E_m) возможны вынужденные (индуцированные) переходы, вызываемые идущим сквозь среду электромагнитным излучением, у которого энергия квантов удовлетворяет условию

 

. (5.1)

 

Если атом находился в состоянии с меньшей энергией E_m, то его вынужденный переход в состояние с энергией E_n сопровождается поглощением кванта (рисунок 5.3 б). Такие переходы "снизу вверх" являются причиной ослабления (поглощения) излучения в веществе.

Если атом находился на верхнем уровне E_n, то при вынужденном переходе на более низкий уровень E_m он отдает высвобождающуюся энергию в виде кванта (рисунок 5.3 в). Замечательно, что при таких вынужденных переходах "сверху вниз" частота, фаза, направление распространения и поляризация испускаемой при этом волны такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход. То есть при таких переходах происходит когерентное усиление излучения.

Для одной частицы вероятности встречных вынужденных переходов E_n→E_m и E_m→E_n равны, но так как при термодинамическом равновесии более населен нижний из уровней, то при прохождении сквозь вещество излучения с частотой, удовлетворяющей условию (1), вынужденные переходы "снизу вверх" происходят чаще, чем "сверху вниз", и поглощение излучения преобладает над усилением. Но если в среде создать инверсную населенность (инверсию), когда населенность хотя бы одного из верхних уровней (E_n) больше населенности хотя бы одного из нижних уровней (E_m), то усиление излучения с частотой ν = (E_n - E_m) /h будет преобладать над поглощением. Среду с инверсной населенностью называют также активной. Такая среда есть оптический квантовый усилитель (ОКУ), усиливающий свет указанной частоты, но не вырабатывающий его сам.

Чтобы превратить ОКУ в лазер, то есть генератор излучения, активную среду помещают в оптический резонатор - систему отражателей, возвращающих в активную среду прошедшее сквозь нее излучение (рисунок 5.4). Простейший резонатор - два плоских или слегка искривленных зеркала, параллельных друг другу, между которыми размещена активная среда. Затравкой излучения являются кванты, возникающие в активной среде при спонтанных переходах E_n → E_m.

Пусть один из таких квантов (квант а на рисунке 5.4) движется вдоль оптической оси лазера. Проходя сквозь активную среду, он порождает несколько новых идентичных квантов (кванты б), которые отражаются от зеркала (г), вновь проходят через активную среду, вызывая появление новых квантов (д), и опять отражаются от противоположного зеркала в активную среду (е). Одно из зеркал (выходное) делают частично прозрачным, и через него выходит когерентное лазерное излучение (кванты в). Если усиление света в активной среде превысит потери из-за пропускания света зеркалами и других причин, то система перейдет в режим генерации, длящийся, пока поддерживается достаточный уровень инверсии.

В качестве активных сред используется множество веществ в различных агрегатных состояниях; для них разработан ряд методов получения инверсии: сортировка возбужденных и невозбужденных атомов, оптическая накачка (возбуждение атомов среды при ее интенсивном освещении лампой накачки) и другие.

Наиболее распространены газовые лазеры, а из них лазер на смеси гелия и неона. При электрическом разряде в этой смеси многие атомы гелия возбуждаются, причем один из возбужденных уровней гелия совпадает с одним из уровней неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона атомы гелия возвращаются в основное состояние, а атомы неона возбуждаются. При правильном подборе соотношения между гелием и неоном в результате описанного выше процесса большинство атомов неона оказываются возбужденными и образуют активную среду. Гелий-неоновый лазер может генерировать излучение на нескольких длинах волн. Наиболее часто оптический резонатор гелий-неонового лазера делают из зеркал, хорошо отражающих только красный свет, и в этом случае лазер генерирует красный свет с длиной волны λ; = 0,63 мкм.

Газовые лазеры отличаются наивысшей монохроматичностью и когерентностью, в силу чего они широко используются для оптических измерений, в голографии, для передачи информации. Но их мощность, как правило, сравнительно невелика. Так, выходная мощность большинства гелий-неоновых лазеров составляет несколько милливатт.

Большую мощность имеют твердотельные лазеры (на стекле, рубине, гранате и др.), что позволяет применять их для обработки материалов и изделий: сверления, резки, сварки, упрочнения поверхности и т.д.

В оптоэлектронике используются маломощные миниатюрные полупроводниковые лазеры, имеющие высокий КПД. Для воздействия на вещество когерентным излучением с требуемой частотой применяют жидкостные лазеры, частоту излучения которых можно перестраивать в некоторых пределах. Свои области применения имеют мощные химические и еще более мощные газодинамические лазеры.

По режиму генерации различают импульсные лазеры и лазеры непрерывного действия, по конструкции резонатора - линейные и кольцевые.