Материал: Введение в нанотехнологии (Рыбалкина), c.87

трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого, пятого фотона и т. д. Таким образом, в результате незначительного внешнего излучения начнется лавинообразное усиление светового потока. Теоретически коэффициент усиления может достигать огромнейшего значения: 1020, и в результате такого усиления будет двигаться огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, т. е. излучение будет когерентным.

Рассмотренная схема получения когерентного (синхронного и синхфазного) излучения впервые была предложена в 1939 г. советским ученым В. А. Фабрикантом и получила название лазер. Слово является аббревиатурой от английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) — усиление света с помощью вынужденного излучения.

Мы знаем, что в природе атомы всегда стремятся вернуться к своему основному, невозбужденному состоянию. Поэтому если число возбужденных атомов меньше или равно числу невозбужденных, то, сколько их ни облучай с помощью внешнего источника, никакого усиления света не получится (так как число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет превосходить число фотонов, излученных возбужденными атомами). Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невозбужденном состоянии.

Если мы сможем каким-то образом "переселить" электроны на более высокие уровни, то есть возбудить большинство атомов, то получим так называемую инверсии населенности энергетических уровней. При облучении вещества в этом случае будут преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приведет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным или рабочим, а процесс создания инверсной населенности уровней называется накачкой. Методы накачки разнообразны и зависят от типа лазера (твердотельного, жидкостного, газового, полупроводникового и т.п.).

Рассмотрим процесс оптической накачки на примере трехуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется потому, что энергетический переход электронов здесь осуществляется благодаря третьему, дополнительному уровню, который называется метастабильным (на рисунке ему соответствует уровень Е2). В отличии от возбужденного состояния (уровень Е3), время жизни атома на этом уровне 10-3с, что гораздо дольше, чем 10-8с.

Рис 4. Трехуровневая схема оптической накачки.

Необходимость в наличии метастабильного уровня объясняется следующим: при оптической накачке атомы вещества сначала возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа 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 некоторое время число атомов на уровне Е2 начинает превышать число атомов в основном состоянии, создавая, таким образом,

требуемую инверсию населенности.

Однако, для нормального функционирования лазера такой процесс должен повторяться многократно и постоянно. Поэтому, для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор (систему, способную породить колебания определенной амплитуды и частоты), который представляет собой систему двух зеркал.

Рис 5. Принцип устройства лазера

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов от конца 1 к концу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде когерентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая часть потока отражается, движется обратно.

В свою очередь эти фотоны вызывают вынужденный переход следующих встретившихся на их пути атомов и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следующий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвавший.

Система зеркал (резонатор) позволяет выбрать преимущественное направление движения фотонов — вдоль оси, или точнее, под очень малыми углами к ней.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает многократное происхождение световых волн, распространяющихся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего достигается высокая мощность излучения, поэтому если какой-то внешний источник энергии может поддерживать инверсное состояние активной среды, то через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Такое излучение имеет рад весьма важных особенностей.

Во-первых, очень малая расходимость лазерного излучения. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5х10-5 см, то угол расходимости составляет всего лишь 0,003°, то есть, фактически, получаем параллельный поток излучения. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 0,5 мкм (для видимого света). Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверхности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветил бы поверхность диаметром 40 000 км.

Во-вторых, лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью, т. е. практически излучение имеет одну единственную частоту и соответствующую ей одну единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Поэтому лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10-3 Гц.

Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения от сколь угодно длительных до сверхкоротких (всего лишь 10-14-10-15 с) импульсных вспышек. Импульсы света такой малой длительности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей! Это сравнимо с мощностью крупнейших электростанций. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких температур. Интенсивность сфокусированного лазерного пучка может быть 1020 Вт/см2 и более, и при этом напряженность электрического поля в луче достигает 1011 В/см. Под действием такого сильного поля у многих из веществ

происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы

Лазеры имеют многочисленные применения в технике для сварки, резки и плавления металлов, в медицине - как бескровные скальпели, при лечении разных болезней. Лазерная локация позволила измерить скорость вращения планет и уточнить характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используются в волоконно - оптических линиях связи для передачи и обработки большого объема информации. Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза.

Корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц

Итак, мы уяснили, что свет представляет собой одновременно и частицу, и волну. В 1924 году французский ученый де Бройль распространил принцип квантово-волнового дуализма на все микрообъекты природы. Согласно де Бройлю, каждой частице, независимо от ее природы, следует поставить в соответствие волну, длина λ которой связана с импульсом p этой частицы.

Согласно де Бройлевской гипотезе о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, не только фотоны, но и все прочие частицы (электроны, протоны и т.д.) наряду с корпускулярными, обладают и волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц. Просто когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его волновые свойства, а при более пристальном изучении – корпускулярные. При изучении же частиц любого рода наблюдается обратная картина.

Всоответствии с известным соотношением Эйнштейна фотону с энергией

Е= h ν соответствует энергия mc2

mc2 = hν

здесь с - скорость света ν - частота света.

Отсюда

m = hcν2

Учитывая, что импульс фотона p = mc, а частота света ν связана с длиной волны λ соотношением: ν = 2πс /λ получим:

p = hcν = 2λπh

Данное уравнение является замечательной иллюстрацией двойственной природы света, поскольку связывает между собой длину волны света λ, то есть характеристику, связанную с его волновой природой и импульс фотона p, характеризующий его как частицу.

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

λ = 2πph = 2mπυh

где импульс частицы p = mυ

m - масса частицы υ - ее скорость

Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экспериментально. В частности, в опыте американских физиков К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году была обнаружена дифракция элементарных частиц – электронов. В данном опыте электроны, ускоренные электрическим полем напряжением в 100В, отражались от поверхности кристалла никеля. Позднее советский ученый Тартаковский в опытах по дифракции электронов, проходящих через тонкую металлическую фольгу, доказал, что волновые свойства присущи не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности.

Человеку, привыкшему к законам макромира обычно бывает трудно представить себе волновую природу электрона, как и другой элементарной частицы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображаемого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее, такое представление годится только для первоначального знакомства с понятием межатомных взаимодействий, и не подходит для дальнейшего изучения основ 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.

Такое сравнение помогает понять суть квантования орбит. Известно, что натянутые струны рояля, как простейшие виды резонаторов, могут колебаться только на определенной частоте. Поэтому, говоря об электронных орбитах, следует иметь в виду различные "моды", то есть виды колебаний. Меняя моду, электрон излучает световую волну с характерной частотой, зависящей от конкретного перехода.

Приведем еще одну аналогию, которая поможет преодолеть барьер недопонимания относительно волновой природы электрона. Вообразим серию волн, набегающих на пологий берег. Скорость этих волн вполне определенная и ее можно вычислить, зная время и расстояние между двумя последовательными