ЖӘне толҚын ҰзындыҒын аныҚтау

ҚАЖЕТТІ ҚҰРАЛ-ЖАБДЫҚТАР: газ лазері, коллиматор, дифракциялық

тор, миллиметрлік шкаласы бар экран,

сызғыш.

5.6.1 ҚЫСҚАША ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ

Электромагниттік өзара әсерлесу теориясы бойынша кез-келген зарядталған бөлшек жеке фотондар түрінді жарық шығарады және жұтады. Атом фотон жұтса қозған күйге өтеді де, оның энергиясы негізгі стационар күйге қарағанда жоғары болады. Атом қозған күйде көп тұра алмайды, ол өздігінен жарық шығарып, негізгі қозбаған күйге өтеді.

Сыртқы әсерлерсіз өздігінен сәуле шығару - спонтанды сәулелену деп аталады. Жеке атомдардың спонтанды сәулеленулері когерентті емес.

Атомның 1 с уақыт аралығында кванттық саны күйден кванттық саны күйге өту ықтамалдылығы - -ді енгізейік. шамасы спонтанды сәулеленуге арналған Эйнштейн коэффициенті деп аталады. Егер, белгілі бір уақыт мезетіндегі энергетикалық деңгей -дегі атомдар саны болса, онда - -дан аралығындағы күйге өтетін атомдар саны ықтималдылық -ге пропорционал:

(5.6.1)

Минус таңбасы деңгейдегі атомдар санының азаятынын көрсетеді. Осыны интегралдап, аламыз:

(5.6.2)

мұндағы дегеніміз уақыт мезетіндегі бастапқы деңгейдегі атомдар саны.

Әрбір - күйден -күйге өту циклдік жиілігі мынаған тең спектрлік сызықтар шығарады:

уақыт ішінде шығарылатын энергия

Бірлік уақыт ішінде шығарылатын сәулелену қарқындылығы:

(5.6.3)

мұндағы бастапқы сәулелену қарқындылығы.

Атомның орташа өмір сүру уақыты - дегеніміз қозған күйдегі бастапқы атомдар саны -дің есе кемуіне кеткен уақыт. Ендеше

(5.6.2) теңдеуден

-ге қысқартып, аламыз, яғни

(5.6.4)

Сонымен, Эйнштейн коэффициенті атомның қозған күйде өмір сүру уақытына кері шама.

(5.6.4) ескерсек, онда (5.6.3) теңдеу мына түрге келеді:

(5.6.5)

Тәжірибелік өлшеулер атомның қозған күйде өмір сүру уақытының тең екендігін көрсетті. Жұтылу мен спонтанды сәуле шығарудан басқа заттардың өзара әсерлесулерінің үшінші бір түрі - еріксіз сәулелену болады. Оны былай түсіндіруге болады: атом қозған 2-ші күйде өмір сүрсін (5.6.1-сурет).

әсерлесуге дейінгі әсерлесуден кейінгі

а) б)

5.6.1-сурет

Оған жиілігі мына шартты қанағаттандыратын сыртқы сәулелену әсер етсін: (5.6.6)

Бұл жағдайда атом еріксіз 1-ші негізгі күйге энергиясы алғашқы фотон энергиясына тең фотон шығарып өтеді. Осындай ауысуларда атом қосымша фотон шығарады. Зерттеулер еріксіз сәулеленулерде екінші реттік фотонның бірінші фотонға ұқсас болатынын көрсетті. Оның жиілігі, фазасы, поляризациясы және таралу бағыты түскен фотонмен бірдей. Сондықтан еріксіз сәуле шығару алғаш түскен сәулеленумен қатаң когерентті.

Жүйе термодинамикалық тепе-теңдік күйде болғанда қозған күйдегі атомдар саны төменгі күйдегі атомдар санынан аз болады, яғни . Сондықтан тепе-теңдік күйлерде жұтылулар сәулеленуден көбірек болады. Бірақ та, жүйенің тепе-тең емес күйін тудыратын орталар болуы мүмкін. Ол кезде қозған күйдегі атомдар саны негізгі күйдегі атомдар санынан жеткілікті дәрежеде көп болады, яғни . Осындай күйлерді инверсті күйлер деп атайды. Мұндай күйлерде энергетикалық деңгейлердегі атомдар концентрациясы жоғары деңгейде төменгі деңгейге қарағанда көп болып бөлінеді.

Ортаның инверсті күйге өту процесі күшейтілетін ортаның толтырылуы деп аталады. Ең табиғи түрде ортаны толтыру кезінде төменгі деңгейдегі атомдар жоғары деңгейге өткенде жиілігі тура алғашқы жарық жиілігіндей жарық шығарады:

Оптикалық кванттық генераторларда инверстік толтыру И.Г. Басов пен А.М. Прохоров (1955) ұсынған үш деңгейлі схема бойынша іске асады.

Бірінші газ лазері неон және гелий атомдарының қоспасынан тұрады. Деңгейлерді инверсті толтыру екі этаптан тұрады: гелий қоздыратын энергия тасиды, ал неон лазерлік сәуле шығарады. Электрондармен соқтығысқан гелий атомдары қозған күйге өтеді. Осы қозған гелий атомдары неон атомдарымен соқтығысқанда гелийге сәйкес деңгейден жоғары орналасқан деңгейге өтеді.

Неон атомдарының осы деңгейден төменгі деңгейге өтуі лазерлік сәуле шығару көзі болып табылады. 2-суретте осындай лазердің үш деңгейлі диаграммасы көрсетілген.

5.6.2-сурет - Гелий-неон лазерінің энергетикалық диаграммасы

Жарықты күшейту эффектісі күшейтілетін жарықты бірнеше рет күшейтетін ортамен өткізу арқылы іске асады. Бұл үшін ортаны бір-біріне параллель орналасқан екі айна ортасына орналастырады (5.6.3-сурет).

1- активті орта, 2- тұтас айна, 3- жартылай мөлдір айна

5.6.3-сурет – Оптикалық кванттық генератордың принципиальды схемасы.

Ортаның қозған атомдарының спонтанды сәуле шығаруы есебінен активті ортада пайда болған кез келген фотон жарықты генерациялау процесінің негізі болып табылады. Бірнеше рет күшейтіліп генератордан шыққан фотондар ағыны жартылай мөлдір айнадан өтіп кетіп, жарқырауы өте күшті бағытталған жарық шоғын тудырады.

Лазерлік сәулелену қасиеттері:

1. Уақыт және кеңістік бойынша когеренттілік. Когеренттілік уақыты , оған ұзындығы когеренттілік сәйкес келеді, бұл кәдімгі сәулелерге қарағанда 7 дәрежеге жоғары. Кәдімгі сәулелерде когеренттілік уақыты , ал ұзындық .

2. Қатаң монохроматты.

3. Энергия ағынының тығыздығы үлкен, ол күн сәулесін фокустап алынған сәуле энергиясының тығыздығынан есе көп.

4. Шоқтың бұрыштық ауытқулары өте аз. Мысалы, Жерден айға лазер сәулесін арнайы фокустап жіберсек, ай бетіндегі пайда болатын жарық дағының диаметрі .

Лазер сәулелерінің осындай қасиеттеріне байланысты олар қазіргі кезде көп қолданылады: қатты денелерді өңдеуде, кесуде, микро дәнекерлеуде; нәрселердегі дефектілерді нақты анықтауда; хирургиялық пышақсыз операция жасауларды; химиялық реакциялар механизмін анықтауда; аса таза заттарды алуда және т.б.

5.6. 2 ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ ЖӘНЕ ӨЛШЕУЛЕР ЖҮРГІЗУ ТЕОРИЯСЫ

Жұмыста газ лазері қолданылады. Лазер сәулесінің толқын ұзындығын дифракциялық тор көмегімен анықтауға болады.

Ол үшін лазер шоғын дифракциялық тор арқылы миллиметрлік шкаласы бар экранға түсіреміз. Экраннан дифракциялық торға дейінгі және экран центрінен бірінші, екінші және үшінші реттік кескіндерге дейінгі ара қашықтықтарды өлшеп аламыз. Дифракцияның максимум шарты бойынша

(5.6.7)

мұндағы - дифракциялық максимумдардың реті, - дифракциялық тордан экранға дейінгі ара қашықтық, - экран центрінен сәйкес максимумдарға дейінгі ара қашықтық (5.6.4-сурет).

5.6.4-сурет Лазер сәулелерінің дифракциясы

Анықталған толқын ұзындығы және Планк өрнегі көмегімен лазер шығаратын фотон энергиясын табамыз:

(5.6.8)

5.6.3 ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУ РЕТІ:

1. Лазерлік қондырғы құрылысы және жұмыс істеу принципімен танысыңдар.

2. Техника қауіпсіздігін орындай отырып құралды қосыңдар.

3. Лазер шоғы жолына дифракциялық торды орналастырыңдар және экрандағы дифракциялық бейнені анық етіп алу керек.

4. Қажетті өлшеулер жасап, оны кестеге толтырыңдар.

5. Лазер сәулесінің толқын ұзындығын анықтаңдар.

6. Фотон энергиясын анықтаңдар.

Кесте

Спектрдің реті
1.
2.
3.
Орташа мәні

5.6. 4 БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ:

1. Спонтанды сәуле шығару мен еріксіз сәуле шығарудың қандай айырмашылықтары бар?

2. Инверстік толтыру дегеніміз не?

3. Лазердің активті ортасы деген не?

4. Лазер дегеніміз не?

5. Лазердің жұмыс істеуінің энергетикалық схемасын түсіндіріңдер.

6. Лазердің оптикалық резонаторы дегеніміз не?

7. Лазерлік сәулеленудің қасиеттері қандай?

8. Лазерлік шоқтың қарқындылығының күшті екендігін қалай түсіндіруге болады?