Материал: 2072

3. Световая характеристика

Ia f Ф при Uд =const; Ua=const

представляет собой линейную зависимость в соответствии с законом Столетова.

4.Спектральная характеристика S f для сурьмяно-цезиевого фотокатода почти постоянна в видимом глазом спектре световых волн.

5.Частотная характеристика – зависимость световой чувствительности от частоты изменения светового потока. Для сурьмяно-цезиевого катода S не изменяется в полосе частот от нуля до нескольких десятков килогерц.

12.КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

12.1. Физические основы лазерного излучения

Согласно планетарной модели атома, при вращении на стационарных орбитах электроны не излучают электромагнитных волн в окружающее пространство. Излучение происходит только при переходе электрона с удаленной орбиты, соответствующей возбужденному состоянию атома, на более низкий уровень, являющийся основным. При этом электрон излучает электромагнитные колебания в виде фотона с энергией

W h ,

где h=6,63 10 34 Дж·с – постоянная Планка; – частота излучения.

А. Эйнштейн показал, что момент излучения кванта света и направление излучения имеют случайный характер. Такое самопроизвольное излу-

146

чение принято называть спонтанным. Оно является следствием возбуждения атома. Возбуждение происходит под действием температуры, электрического поля, при ударе электрона или при поглощении кванта света. В обычных источниках света, например при нагревании тел до высоких температур, излучение происходит спонтанно в различные моменты времени, с различной энергией, т.е. беспорядочно.

Однако существует и другой вид излучения, открытый А. Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцированным (стимулированным). Он заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызывать переход атома в невозбужденное состояние, при этом атом испускает квант света, который по количеству энергии и направлению излучения одинаков с квантом, вызвавшим этот процесс. В результате происходит усиление светового потока.

12.2. Принцип работы лазера

Для эффективного использования света в различных технологиях, технике, науке необходимо получать синхронное и синфазное излучение света отдельными атомами. Впервые идею получения такого излучения, называемого когерентным, высказал советский ученый В.А. Фабрикант. Упрощенную схему получения когерентного излучения можно представить следующим образом. Пусть имеется цепочка атомов, вытянутых в линию. Атомы находятся в возбужденном состоянии. Внешний фотон взаимодействует с первым атомом, приводит его в невозбужденное состояние, вызывая излучение по направлению цепочки атомов такого же кванта света. Таким образом, вдоль цепочки уже будут двигаться два фотона. Один из них «ударит» следующий атом, который даст излучение еще одного фотона. Аналогично процесс создания фотонов будет происходить и дальше. В результате световой поток усиливается в цепочке в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать гигантского значения

– 1020 . Важно, что это будет поток квантов света одинакового направления

иэнергии.

Вреальных условиях в веществе кроме возбужденных атомов имеются невозбужденные, которые поглощают часть энергии фотонов и тем самым уменьшают энергию выходного когерентного излучения. Если число невозбужденных и число возбужденных атомов равны между собой, то никакого усиления света не получится. Следовательно, для усиления света необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа невозбужденных. Поэтому во время когерентного излучения необходимо к данному веществу подводить энергию извне для возбуждения атомов. Такой процесс называют накачкой.

Прибор, где используют принцип усиления света, рассмотренный выше, получил название лазер, означающее усиление света с помощью вы-

147

нужденного излучения. Такой квантовый усилитель можно превратить в генератор, если создать в нем положительную обратную связь, при которой часть излучения с выхода возвращается снова на вход и вновь усиливается.

Идею создания лазерных генераторов предложили Н.Т. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и независимо от них американский ученый Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии.

Принцип работы лазера, называемого иначе оптическим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 12.1).

рого в виде когерентного светового излучения 4 выходит в окружающее пространство.

12.3. Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет почти параллельный поток фотона одной и той же частоты. Такое излучение имеет ряд важных особенностей.

Первая особенность – весьма малая расходимость луча лазерного излучения. Угол расходимости равен 0,003 или 5 10 5 рад. Такой световой луч можно сфокусировать в точку радиусом около 0,5 мкм (для видимого света), при этом угол расходимости уменьшается до 10 7 рад. Если этот луч послать на Луну, то он высветит пятно диаметром 30 м.

Вторая особенность лазерного излучения – высокая монохроматичность, т.е. излучение имеет строго фиксированную длину волны. На практике при лазерном излучении наблюдается незначительная флуктуация частоты за счет спонтанного некогерентного излучения очень небольшого

148

числа атомов. Ширина полосы частот лазерного излучения очень мала и составляет примерно 10 3 Гц.

Третья особенность состоит в том, что можно в очень широких пределах управлять длительностью процесса излучения, формируя сверхкороткие мощные импульсы света. Например, если длительность импульса равна 10 13 с, а энергия 103 Дж, то мощность излучения – 1016 Вт, что во много раз больше, чем у любой крупнейшей электростанции, интенсивность потока энергии в сфокусированном лазерном луче достигает 1020 Вт/см2 , при этом напряженность электрического поля составляет 1011 В/см. Под воздействием такого сильного поля у многих веществ происходит ионизация.

12.4.Основные типы лазеров

Внастоящее время существует множество лазеров различных типов. Они различаются активной средой и способом накачки. В качестве активной среды используются твердые, жидкие, газообразные вещества. Накачку осуществляют оптическим способом либо с помощью электрического разряда в активной среде.

Твердотельные лазеры

Активная среда – диэлектрический кристалл или специальное стекло. Примером может служить лазер на рубине (оксид алюминия с примесью ионов хрома). Источник накачки – вспомогательный лазер либо другие источники света (газоразрядные лампы, лампы накаливания).

Жидкостные лазеры

Активная среда – чаще всего растворы органических красителей или специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Для лазерной генерации используются сотни различных органических красителей с длиной волны излучения от 0,3 до 1,3 мкм. Накачка жидкостных лазеров (импульсная или непрерывная) осуществляется с помощью газоразрядных ламп или вспомогательного лазера.

Газовые лазеры

Одной из многочисленных разновидностей газовых лазеров является фотодиссоционный лазер. Под влиянием накачки молекулы газа распадаются на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для получения лазерного излучения.

149