Елементи квантової фізики

=_0і.

Комбінаційне розсіювання, як і всі інші явища взаємодії світла з речовиною, має квантовий характер. Нехай молекула розсіюваної речовини може знаходитися в ряді коливальних енергетичних станів W₀, W₁, ... ,W_i,...,а нормальний стан молекули відповідає енергії W₀. При взаємодії такої молекули з квантом зовнішнього випромінювання енергією ₀=h₀, молекула може виявитись в більш високому енергетичному стані з енергією W_i. На цей перехід буде затрачена енергія W=W_i-W₀. Тому енергія фотона зменшиться на величину W; в той же час появиться новий фотон (розсіяний) з енергією

=h=h₀-W.

З останньої рівності видно, що

(2.3.7)

де - частота, якій відповідає перехід між рівнями W₀ i W_i. Тому =₀-_і, що відповідає появі «червоного» супутника. Поява фіолетового супутника пояснюється взаємодією падаючого фотона частотою ₀ з молекулою, яка перебуває у збудженому стані з енергією W_i. Взаємодія падаючого фотона з молекулою в збудженому стані стимулює її перехід в нормальний енергетичний стан. Тому:

=h₀+W,

звідки =₀+^/ - фіолетовий супутник.

Очевидно, що число молекул у збудженому стані буде зростати з підвищенням температури. А це сприяє зростанню інтенсивності фіолетових супутників. Указані висновки добре погоджуються з експериментом.

Комбінаційне розсіювання є важливим методом вивчення власних частот коливань в складних молекулах, особливо в органічних сполуках. В останні роки цей метод є невід'ємною частиною молекулярного спектрального аналізу.

2.3.4 Поглинання, спонтанне і вимушене випромінювання. Оптичні підсилювачі і квантові генератори.

Як уже було відмічено, атоми можуть знаходитись лише у строго визначених квантових станах, яким відповідають дискретні значення енергії W₁,W₂,W₃,...,W_n.

З точки зору квантової механіки стаціонарний стан атома повинен зберігатися як завгодно довго, якщо немає зовнішніх причин, які спричиняють зміну енергії атома. Проте дослід показує, що атом у збудженому енергетичному стані сам собою переходить у нормальний, не збуджений стан, випромінюючи світло. Таке випромінювання називається самочинним, або спонтанним випромінюванням.

Крім самочинних (спонтанних) переходів з одного енергетичного рівня на другий, спостерігаються також вимушені (індуковані) переходи, обумовлені дією падаючого випромінювання. Самочинні переходи відбуваються лише в одному напрямі - з більш високих енергетичних рівнів на нижчі енергетичні рівні. Вимушене випромінювання рівнозначно відбувається як в одному, так і в другому напрямі. У випадку переходу на більш високий енергетичний рівень атом поглинає квант енергії. При вимушеному випромінюванні із збуджених енергетичних рівнів випромінюються додаткові фотони, які називаються вимушеними або індукованими. На рис 2.13 показано ці процеси для атомів, які мають умовно лише два енергетичні стани - основний W₀ і збуджений W₁.

Рис 2.13

Важливо відмітити, що при вимушеному випромінюванні первинний і вторинний фотони є точними копіями один одного. Ще в 1916р. Ейнштейн і Дірак доказали, що вимушені (вторинні) фотони мають однакову частоту, фазу, поляризацію і напрям поширення. Вимушене випромінювання строго когерентне до падаючого. Ця особливість вимушеного випромінювання покладена в основу дії підсилювачів і генераторів світла, які називають лазерами.

Методи підсилення світла за рахунок вимушеного випромінювання були запропоновані ще в 1939р. російським фізиком Фабрикантом, а в 1954р. вже були побудовані прилади підсилення електромагнітних хвиль фізиками Басовим і Прохоровим і незалежно від них американським фізиком Таунсом. Ці прилади були названі мазерами. Вони працювали у сантиметровому діапазоні електромагнітних хвиль.

Перший лазер (оптичний квантовий генератор) створив Мейман (США) у 1960р.

Для підсилення світла необхідно, щоб на вищому енергетичному рівні W₁ знаходилось більше електронів, ніж на нижчому, тобто N₁N₀ при W₁W₀. Вважають, що в цьому випадку відбувається інверсна заселеність рівнів W₁ i W₀. Тоді при проходженні через таку речовину електромагнітної хвилі з частотою =(W₁-W₀)/h ця хвиля буде не слабшати, а навпаки, підсилюватись за рахунок індукованого випромінювання.

Новий фотон, що з'явиться внаслідок індукованого випромінювання, підсилює світло, яке проходить крізь середовище. Однак необхідно мати на увазі, що крім індукованого випромінювання відбувається процес поглинання світла. Внаслідок поглинання фотона атомом, що перебуває на енергетичному рівні W₀, фотон зникає і атом перейде на енергетичний рівень W₁ (рис 2.13. «а»). Цей процес зменшує потужність світла, що проходить крізь середовище. Внаслідок актів вимушеного випромінювання фотон з енергією h переводить атом із рівня W₁ на W₀ і замість одного фотона далі летять два фотони (рис 2.13 «б»). Дія підсилюючого середовища визначається тим, який з двох процесів переважає. Якщо переважають акти поглинання, то середовище ослаблює падаюче випромінювання і навпаки, якщо переважають акти вимушеного випромінювання, то середовище підсилює світло.

Досліди показали, що використання дворівневого середовища для побудови оптичних квантових генераторів не є ефективним. Перший квантовий генератор був створений за схемою трьох рівнів. Підсилюючим середовищем у ньому є кристал рубіну, який за хімічним складом є окисом алюмінію AL₂O₃ з домішками окису хрому Cr₂O₃ в кількості біля 0.03%. При цьому в кристалічній гратці Al₂O₃ певну кількість іонів Al³⁺ замінено на іони Cr³⁺. Активною речовиною, в якій здійснюються вимушені переходи в рубіні є іони Cr³⁺. Енергетична схема Cr³⁺ складається з трьох рівнів: основний стан W₀ і дві широкі енергетичні смуги W₁, і подвійний метастабільний рівень W₂. Перехід з метастабільного рівня W₂ в основний стан W₀ супроводжується випромінюванням червоного світла з довжинами хвиль 6927 і 6943 А⁰. (рис.2.14)

W₁

W₂

W₀

Рис 2.14

Якщо рубін інтенсивно опромінюють світлом потужної імпульсної лампи (криптон-ксенонова лампа), то іони хрому переходять з основного стану W₀ на рівні широкої смуги W₁, звідки найімовірнішим є безвипромінювальний перехід іонів на подвійний рівень W₂ з переданням частини енергії кристалічній гратці рубіну. Важливо те, що рівні W₂ i W₀ заселені інверсно. Головним в цьому випадку є різний час збудженого стану рівнів W₁ (приблизно 10^-7с.) і метастабільного стану W₂ ( приблизно 10^-3с.). За час 10^-4с. на рівнях W₂ відбувається нагромадження енергії, тобто створюється інверсний стан. Кожний фотон, який випадково може виникнути при самочинних переходах в принципі може ініціювати в активному середовищі лавину вимушених переходів W₂ W₀ . Однак спонтанні переходи носять випадковий характер, а ініційовані ними вимушені фотони випромінюються в різних напрямках. Таке випромінювання не може бути високо когерентним.

Для лазерної генерації використовують ще один елемент - оптичний резонатор. Оптичним резонатором в найпростішому випадку можуть бути два дзеркала, між якими розміщують рубіновий стержень. Одне із дзеркал є напівпрозорим. Всі ті фотони, які зародились і рухаються в напрямку осі лазера багаторазово відбиваються від дзеркал і в певний момент часу (кожні 10^-3с.) разом з черговою лавиною вимушених фотонів при переході W₂ - W₀, випромінюються через напівпрозоре дзеркало у вигляді лазерного імпульсу. Потужність такого випромінювання в імпульсі може досягати 10⁶ - 10⁹ Вт, а густина потоку світлової енергії 10⁴ - 10⁷ кВт/м².

Першим газовим лазером безперервної дії став гелій-неоновий лазер, який було створено в 1961р. В гелій-неоновому лазері накачку створюють в два етапи: гелій є носієм енергії збудження, а лазерне випромінювання дає неон. На рис 2.15 показана енергетична схема гелій-неонового лазера.

W₁

W₂

W₀

Рис. 2.15

За рахунок співударів з електронами атоми гелію переходять у збуджений стан W₁. При зіткненнях збуджених атомів гелію з атомами неону останні також збуджуються і переходять на один з верхніх рівнів неону, розташованих поблизу відповідних збуджених рівнів гелію. Перехід атомів з цього рівня на один з нижчих рівнів W₂ супроводиться випромінюванням лазера. Час збудженого стану He W₁ становить близько 10^-7с., час збудженого стану Ne W₁ приблизно 10^-3с. Різниця в часі дає можливість в певній мірі концентрувати світлову енергію. Довжина хвилі гелій-неонового лазера становить 6328.

Основні властивості лазерного випромінювання:

Високі часова і просторова когерентність. Час когерентності біля 10^-3с., а довжина когерентності - 10⁵м.

Висока монохроматичність (=10^-11м.)

Велика потужність випромінювання (до 10⁹Вт)

Мала кутова розходженість в променях.

У більшості відомих на сьогодні лазерів ККД не перевищує 1%. Однак є лазери на основі неодиму з ККД біля 75% і потужний СО₂ - лазер з ККД до 30%.

Лазери знайшли широке використання у різних галузях науки і техніки.

Серед прикладів використання лазерів слід відмітити слідуючи:

а) обробка металів, мікрозварювання, обробка алмазних виробів;

б) безкровний лазерний скальпель на основі СО₂ - лазера в медицині;

в) створення високотемпературної плазми, можливість термоядерного синтезу в майбутньому;

г) різноманітна вимірювальна техніка, лазерні інтерферометри;

д) створення і відтворення голограм;

е) створення сучасних засобів зв'язку і т.д.