Атомни преходи. Лазери

1. Атомни преходи

   Съд е запълнен с разреден газ. На фиг.3-1 схематично са показани две от състоянията на атомите: основното състояние E1, в което енергията на атома е минимална, и възбудено състояние E2 с по- голяма енергия. В нормални условия (например при стайна температура) повечето атоми са в основно състояние. Ако газът се облъчи с бяла светлина, част от атомите поглъщат фотони с енергия и един от най- външните електрони на тези атоми преминава във възбудено състояние. Поглъщането се нарича стимулирано, защото преходът от състоянието с енергия E1 в състояние с по- голяма енергия E2 се предизвиква (стимулира) от фотон с точно определена енергия.

Фиг. 3-1. Стимулирано поглъщане

Обикновено електронът остава във възбуденото състояние само около 10-8s и спонтанно (без външно въздействие) прескача обратно на по- ниското ниво, при което атомът изпуска фотон. Този процес се нарича спонтанно излъчване.

Фиг. 3-2. Спонтанно излъчване

    Айнщайн предсказва съществуването на още един вид излъчване, наречено стимулирано излъчване, тъй като подобно на стимулираното поглъщане се предизвиква от фотон, взаимодействащ с излъчващия атом. Механизмът на стимулираното излъчване се илюстрира от фиг. 3-3. Върху атом, който има електрон във възбуденото състояние E2, попада фотон с енергия . Вместо да се погълне от атома, фотонът предизвиква преход на електрона обратно в основното състояние и излъчване на нов фотон.

Фиг. 3-3. Стимулирано излъчване

Така след стимулирано излъчване фотоните стават два: предизвикалият излъчването фотон и излъченият от атома фотон. Двата фотона имат еднаква енергия , разпространяват се в една и съща посока и при определени условия могат да предизвикат стимулирано излъчване на други атоми. След цяла верига от подобни процеси броят на фотоните лавинообразно нараства.

2. Лазери

    Фотоните предизвикват два вида атомни преходи: в състояние с по- голяма енергия (стимулирано поглъщане) или в състояние с по- малка енергия (стимулирано излъчване). Вероятността за двата процеса е еднаква. Когато светлина попадне върху система от атоми (например разреден газ), обикновено се наблюдава само стимулирано поглъщане на фотони, тъй като при топлинно равновесие броят на атомите в основно състояние е много по- голям от броя на възбудените атоми (нормална населеност на нивата). Затова броят на процесите на стимулирано излъчване е пренебрежимо малък. Ако обаче се реализира обратният случай, наречен инверсна населеност: във възбудено състояние се намират повече атоми, отколкото в основно състояние, тогава процесите на стимулирано излъчване са повече от процесите на стимулирано поглъщане. Поради стимулираното излъчване броят на фотоните нараства и светлината вместо да се поглъща, се усилва. Такива условия се създават при лазерите. Английската дума laser е абревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усилване на светлината от предизвикано излъчване. Лазерът е оптическо устройство, което за генериране на енергия се нуждае от външно въздействие.За работата на лазерите е необходимо:

  1. Наличие на активна среда. Това е среда (газ или твърдо тяло), в която е създадена инверсна населеност на нивата (повече атоми се намиратвъв възбудено състояние, отколкото в основно състояние). Инверсната населеност се поддържа от външен източник на енергия (електрична, оптична и др.): атомите поглъщат енергия от източника и преминават във възбудено състояние.
  2. Възбуденото състояние трябва да е метастабилно. Метастабилно се нарича такова възбудено състояние, в което електронът може да се намира значително по- дълго време, отколкото в обикновените възбудени състояния. В такъв случай стимулираното излъчване се извършва преди спонтанното излъчване.
  3. Излъчените фотони трябва многократно да преминат през активната среда, за да предизвикат принудено излъчване на по- голям брой възбудени атоми. Това се постига с помощта на две успоредни огледала, поставени от двете страни на активната среда. Едното огледало изцяло отразява светлината, а второто е полупрозрачно- част от светлината преминава през него и се формира лазерният сноп.

Фиг. 3-4. Принцип на действие на лазерите

3. Хелий- неонов лазер

    Активната среда в този вид лазери е смес от газовете хелий и неон, поставена в затворена стъклена тръба. На тръбата се подава високо напрежение и възниква газов разряд. Получените при газовия разряд свободни електрони се ускоряват от електрочино поле, удрят се в атомите на хелия и ги привеждат във възбудено състояние: един от електроните на хелиевия атом преминава от основното състояние в най- близо разположеното по енергия възбудено състояние. Когато след това възбуден атом на хелия се удари в атом на неона, той му предава допълнителната си енергия - електронът на хелиевия атом се връща в основното състояние, а електрон от външния слой на неона преминава в едно от високите възбудени състояния E3 на неона, което има приблизително същата енергия, както възбуденото състояние на хелия.

Това състояние на неона е метастабилно. Разположеното под E3 възбудено състояние с по- малка енергия E2 е обикновено. Затова електроните по- продължително време се задържат в състояние E3 и много бързо освобождават състоянието E2, ако попаднат на него. По този начин между състоянията E3 и E2  на неона се създава инверсна населеност- в състоянието с по- голяма енергия E3 има повече електрони, отколкото в състоянието с по- малка енергия E2. Отначало възниква слабо спонтанно излъчване при преходи на неона от метастабилното състояние E3 в състояние E2. След това излъчените фотони с дължина на вълната λ = 632,8 nm предизвикват стимулирано излъчване на други възбудени атоми. Получената светлинна вълна се отразява от двете огледала, многократно преминава през активната среда и се усилва от стимулираното излъчване на голям брой атоми. В резултат на тези процеси се формира сноп от кохерентна лазерна светлина с дължина на вълната 632,8 nm.

 

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно

Първият лазер в България е пуснат през 1964 г. Той е рубинов.

България има сериозен принос в развитието на лазерната техника. В България е пуснат първият лазер с па̀ри на меден бромид (CuBr лазер) от проф. Никола Съботинов от БАН. В момента във Физическия факултет на СУ функционира модерна лаборатория за свръхкъси светлинни импулси (това са фемтосекундни импулси: 1 fs = 1.10-15 s).

Схема на лазер- компоненти: 1- активна среда; 2- източник на енергия; 3- 100% огледало; 4- полупропускливо огледало; 5- лазерен лъч

Първият лазер е на базата на рубинов кристал и е изобретен през 1960 г. от американския физик Теодор Майман. В рубиновия кристал от алуминиев окис някои от алуминиевите атоми са разменени с хромни атоми. Хромът придава характерния червен цвят. Хромните атоми поглъщат зелената и синята светлина и отделят или отразяват само червената. За рубиновия лазер кристалът е оформен като цилиндър. Напълно отразяващо огледало е поставено на единия край на кристала, а полу-отразяващо - на другия. Лампа с голям интензитет е оформена като спирала около рубинения цилиндър, за да предизвиква осветяване на кристала с бяла светлина, задействаща лазерната реакция. Зелената и синята дължини на вълната от тази светлина изблъскват електроните в хромните атоми в по-високо енергийно ниво. При завръщането си в тяхното нормално състояние електроните излъчват характерната рубинено-червена светлина. Огледалата отразяват някои от лъчите обратно към рубиновия кристал, предизвиквайки излъчването на още червена светлина от други хромни атоми, докато светлинния лъч достигне достатъчна мощност и излъчи навън енергията под формата на фотони, натрупана в кристала.