Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приве дет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная насе ленность энергетических уровней, называется активным или рабочим, а процесс создания инверсной населенности называ ется накачкой. Методы накачки разнообразны и зависят от ти па лазера (твердотельного, жидкостного, газового, ядерного,

полупроводникового и т.п.).

Рассмотрим процесс оптической накачки на примере тре хуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется потому, что энергетический пе реход электронов здесь осущес твляется благодаря третьему, дополнительному уровню, ко торый называется метаста* бильным (на рисунке ему соотве тствует уровень Е2). В отличие

от возбужденного состояния

Рис 37. Трехуровневая схема оптической (уровень Е3), время жизни ато накачки

ма на этом уровне 103с, что в миллион раз дольше, чем 109с. Необходимость использования метастабильного уровня

объясняется вот чем: при оптической накачке атомы сначала возбуждаются, поглощая свет. Но для этого недостаточно толь ко двух уровней. Какой бы мощной ни была лампа накачки, возбужденных атомов не станет больше, чем невозбужденных.

Поглотив первоначальное излучение, атомы переходят в возбужденное состояние (которому соответствует уровень Е3), из которого тут же спонтанно и без излучения перескакивают на метастабильный уровень Е2, где и накапливаются. Через неко торое время число атомов на уров не Е2 начинает превышать число атомов в основном состоянии, создавая требуемую инверсию на селенности.

Однако для нормального функционирования лазера такой процесс должен повторяться мно

гократно и регулярно. Для этого

Рис 38. Схема оптического резонатора

активную среду помещают в оп

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

тический резонатор (систему, способную породить колебания определенной амплитуды и частоты), который представляет со бой систему двух зеркал.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде ко герентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая часть потока отражается обратно. В свою очередь, эти фотоны вы зывают вынужденный переход встретившихся на их пути атомов и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следую щий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвав

ший.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает мно гократное происхождение световых волн, распространяющих ся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего дости гается высокая мощность излучения, поэтому если какой то внешний источник энергии (относительно слабый) может под держивать инверсное состояние активной среды, то через зер кало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных особенностей.

Во первых, очень малая расходимость лазерного излуче ния. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5·105 см, то угол расходимости составит всего 0,003°, то есть, фактически, получаем параллельный поток излучения. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света). Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверх ности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветил бы поверхность диаметром 40.000 километров.

Во вторых, лазерное излучение обладает высокой монох ромностью, т. е. имеет практически одну единственную час тоту и соответствующую ей одну единственную длину вол ны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном луче одинаковая энергия.

84

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излуче ния от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до 10 15с) импульсных вспышек. Импульсы такой малой длитель ности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огром ную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей! Это сравнимо с мощностью крупнейших электростанций. Огромная мощ ность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, ос вещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких тем ператур. Интенсивность сфокусированного лазерного луча мо жет быть 1020 Вт/см2 и более, при этом напряженность электри ческого поля в луче достигает 1011 В/см. Под действием такого сильного поля происходит не только ионизация атомов они расщепляются на электроны и положительные ионы но и термоядерные реакции, в ходе которых одни элементы превращаются в другие.

Лазеры имеют многочисленные применения в технике для сварки, резки и плавления металлов, в медицине как бескров ные скальпели при лечении разных болезней. Лазерная лока ция позволила измерить скорость вращения планет и уточнить характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используют ся в оптоволоконных линиях связи для передачи и обработки большого объема информации. Лазеры считывают информа цию с компакт дисков в каждом компьютере и проигрывателе. Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются ре шить проблему управляемого термоядерного синтеза. В насто ящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инф ракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. За создание лазеров советские физики Н. Басов и А. Прохоров вместе с американским физиком Ч. Таунсом в 1964 году полу чили Нобелевскую премию.

Корпускулярно волновой дуализм нанообъектов

Итак, мы уяснили, что свет представляет собой одновре менно частицу и волну. В 1924 году французский ученый Шарль де Бройль распространил принцип квантово волнового дуализ ма на все микрообъекты природы. Согласно де Бройлю, каждой частице следует поставить в соответствие волну, длина которой

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

связана с импульсом этой частицы. По де Бройлевской гипоте* зе о всеобщности корпускулярно*волнового дуализма, не только фотоны, но и все частицы вообще (электроны, протоны и т.д.) наряду с корпускулярными обладают также волновыми свой ствами. Последние, в свою очередь, должны проявляться в яв лениях дифракции и интерференции частиц.

Когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его вол новые свойства, а при более пристальном рассмотрении – кор пускулярные. При изучении же частиц наблюдается обратная картина.

В соответствии с известным соотношением Эйнштейна, фотону с энергией Е=ћ , соответствует энергия mc2=ћ ,.

Здесь с скорость света; m масса фотона; его частота. Отсюда:

Учитывая, что импульс фотона p=mc, а частота света свя зана с длиной волны l соотношением: =2pс/ , получим:

Данное уравнение является замечательной иллюстрацией двойственной природы света, поскольку объединяет длину вол ны света , связанную с его волновой природой, и импульс фо тона p, характеризующий его как частицу.

Заслуга де Бройля состоит в том, что он распространил дан ную формулу на все частицы материи, придав ей универсальное значение.

где p=mv импульс частицы, m масса частицы,

v ее скорость.

Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экс периментально. В частности, в опыте американских физиков К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году обнаружена дифракция элементарных частиц – электронов. Для этого они использова

86

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

ли всем хорошо известную электронно лучевую трубку, приме няющуюся в телевизорах, дисплеях и осциллографах.

Вэтих трубках (или электронных пушках) электронные пуч* ки, генерируемые катодом и управляемые электромагнитным полем, направляются в сторону экрана, покрытого люминофо ром. При попадании частицы в экран на нем возникает светя щееся пятнышко. Так вот, на пути от источника к экрану элект роны ведут себя как классические частицы, и их движение можно рассчитать средствами классической физики. Однако если на пути летящих в трубке электронов поставить экран со щелью, то после прохождения их через эту щель на экране наб людается чередование темных и светлых полос, аналогичное дифракционной картине световых волн. Значит, электроны способны к дифракции, то есть ведут себя подобно волнам!

Позднее советский ученый Тартаковский доказал, что вол новые свойства присущи не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности. А в 1999 году обнаружена интерференция фуллеренов и биомолекул.

Втаблице приведены и другие эксперименты, свидетельствую щие как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона:

Табл 2. Эксперименты, свидетельствующие о волновых и корпускулярных свойствах электрона

Человеку, привыкшему к законам макромира, бывает труд но представить волновую природу электрона или другой части цы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображае мого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее, это представление годится только для первоначального знако мства с понятием межатомных взаимодействий, но не подходит для дальнейшего изучения квантовой механики. Поэтому к атому нужно подходить скорее как к странному музыкальному инструменту – аналогу звукового резонатора, – в котором вместо звуковых волн мы имеем волны электронные.