Лазеры. Свойства лазерного излучения

1. Рубиновый лазер
Рабочее тело – корунд (Al₂O₃) с примесью 0,03-0,05% хрома (Cr₂O₃) – рубин. На торцы рубинового стержня нанесено зеркальное напыление, они образуют па-раллельные зеркала, пропускающие 8% света (РИС. 41.2). Пространство между зеркалами играет роль резонатора. Источник энергии – импульсная ксеноновая лампа (с её помощью происходит оптическая накачка рубина).
Схема энергетических уровней рубина .

При накачке ионы Cr³⁺ переходят из основного состояния 1 в возбуждённое состояние 3. Время жизни этого состояния мало. Так как A₃₂> A₃₁, большая часть электронов переходит в состояние 2 (время жизни около 10–1 с). Создаётся ин-версная заселённость уровней 2 и 1. Электрон может перейти с уровня 2 на уро-вень 1 (сверху вниз, A₂₁) с излучением фотона. Этот фотон может вызвать вынуж- денное излучение (B₂₁). Фотоны, двигаясь между зеркальными торцами, создают эффект лавины.

2. Гелий-неоновый лазер
В газоразрядной трубке содержится смесь гелия под давлением 1 мм рт. ст. и неона под давлением 0,1 мм рт. ст. На торцах трубки находятся два зеркала, одно из которых полупрозрачно. Источник энергии – газовый разряд.

Энергетическая диаграмма показана на РИС. Третий уровень гелия и четвёртый уровень неона совпадают. В результате газового разряда происходит возбуждение атомов гелия (коэффициент Эйнштейна B₁₃) и неона (B₁₄). Столкновения возбуждённых атомов гелия с невозбуждёнными атомами неона приводят к резонансной передаче возбуждения. Так как атомов гелия в 10 раз больше, чем атомов неона, это приводит к резкому увеличению населённости четвёртого уровня гелия. Вместе с быстрым опустошением уровня 3 это создаёт инверсную населённость уровней 4 и 3. Так как резонатор лазера настроен на длину волны λ₄₃, это приводит к созданию лавины фотонов именно этой длины волны.
Свойства лазерного излучения:
1. Высокая временная и пространственная когерентность
2. Высокая плотность потока энергии
3. Высокая степень монохроматичности (ширина линии генерации Δλ ≈ 0,1 Å)
4. Узкая направленность пучка

16)Методы описания состояния макросистемы. Химический потенциал
Макросистема – система, состоящая из огромного числа частиц.
Способы описания состояния макросистем: статистический и термодинамический
Термодинамическое описание состояния макросистемы– это описание состояния системы в целом. Будем рассматривать равновесное состояние системы. Равновесное состояние– состояние макросистемы, в котором она может находиться сколь угодно долго в отсутствие внешнего воздействия.
Термодинамические параметры (макропараметры) – параметры, описывающие макросистему в целом: давление p, объём V, температура T, внутренняя энергия U, энтропия S и т. п.

I начало термодинамики dU= δQ- δA, Q – количество теплоты, переданное системе, A – работа, совершённая системой.
Так как δA = pdV, dS= (δQ/T) _обрат , для закрытой системы: dU=TdS-pdV.
Для открытой системы внутренняя энергия может изменяться и за счёт изменения числа частиц:dU=TdS-pdV+μdN,
где μ – химический потенциал – термодинамический параметр системы. Его смысл прост. Для теплоизолированной (dS = 0) системы при V = const :dU=μdN⇒ (μ=dU/dN)_S,V=const

Химический потенциал равен изменению внутренней энергии теплоизолированной системы постоянного объёма при изменении числа её частиц на единицу. Возможно μ ≷ 0. Для идеального газа μ < 0; для фотонного газа μ = 0.

При контакте двух теплоизолированных систем с химическими потенциалами μ1 и μ2 (РИС. 41.5) поток энергии:
, где *μ₁ , *μ₂ – химические потенциалы систем 1 и 2 после приведения их в контакт;
dN₁₂, dN₂₁ – число частиц, переходящих из системы 1 в систему 2 и наоборот за один и тот же малый промежуток времени. Так как dN₁₂ = dN₂₁, *μ₁ = *μ₂ – в состоянии равновесия химические потенциалы систем равны.