Доклад по физике "Квантовые генераторы

Сл

Сегодня нашу жизнь сложно представить без квантовых генераторов, хотя не все обращают на это внимание. Множество детских игрушек являют собой именно квантовые генераторы и это не единственная область их применения.

Что же такое квантовый генератор?

Сл

КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР - устройство, генерирующее эл--магн. излучение за счёт вынужденного испускания фотонов ансамблем микрочастиц.

Ква́нтовый генера́тор — общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул.

Сл

В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по-разному:

лазер (оптический диапазон);

мазер (микроволновой диапазон);

разер (рентгеновский диапазон);

газер (гамма-диапазон).

Сл

Реально работа данных устройств базируются на использовании постулатов Бора:

Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Наиболее распространены сегодня именно лазеры, то есть оптические квантовые генераторы. Кроме детских игрушек они получили распространение в медицине, физике, химии, компьютерной технике и прочих отраслях. Лазеры выступили в качестве «готового решения» множества проблем.

Рассмотрим детально принцип работы лазера

Сл4-14

Лазер - оптический квантовый генератор, создающий мощный узконаправленный когерентный монохроматический луч света. (слайды 1, 2)

• (1. Спонтанное и вынужденное излучение.

Если электрон находится на нижнем уровне, то атом поглотит падающий фотон, и электрон перейдет с уровня Е₁ на уровень Е₂. Это состояние неустойчивое, электрон самопроизвольно перейдет на уровень Е₁ с испусканием фотона. Спонтанное излучение происходит самопроизвольно, следовательно, атом будет испускать свет несогласованно, хаотично, поэтому световые волны несогласованны друг с другом ни по фазе, ни по поляризации, ни по направлению. Это естественный свет.

Но возможно и индуцированное (вынужденное) излучение. Если электрон находится на верхнем уровне Е₂ (атом в возбужденном состоянии), то при падении фотона может произойти вынужденный переход электрона на нижний уровень испусканием второго фотона.

Сл

Излучение при переходе электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием фотона под влиянием внешнего электромагнитного поля (падающего фотона) называют вынужденным, или индуцированным.

Свойства вынужденного излучения:

• одинаковая частота и фаза фотонов первичного и вторичного;

• одинаковое направление распространения;

• одинаковая поляризация.

Следовательно, при вынужденном излучении образуются два одинаковых фотона-близнеца.

Сл

2. Использование активных сред.

Состояние вещества среды, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной заселенностью энергетических уровней. Это обычное состояние среды.

Сл

Среду, в которой больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют активной средой с инверсной заселенностью энергетических уровней. (слайд 9)

В среде с инверсной заселенностью энергетических уровней обеспечивается усиление световой волны. Это активная среда.

Усиление света можно сравнить с нарастанием лавины.

Сл

Для получения активной среды используют трехуровневую систему.

На третьем уровне система живет очень мало, после чего самопроизвольно переходит в состояние Е₂ без испускания фотона. Переход из состояния 2 в состояние 1 сопровождается излучением фотона, что и используется в лазерах.

Процесс перехода среды в инверсное состояние называется накачкой. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции. Например, после вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3, спустя малый промежуток времени в состояние 2, в котором живет сравнительно долго. Так создается перенаселенность на уровне 2.

Сл

3. Положительно обратная связь.

Для того чтобы из режима усиления света перейти к режиму генерации в лазере используют обратную связь.

Обратная связь осуществляется с помощью оптического резонатора, который обычно представляет собой пару параллельных зеркал. (слайд 11)

В результате одного из спонтанных переходов с верхнего уровня на нижний возникает фотон. При движении в сторону одного из зеркал фотон вызывает целую лавину фотонов. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя испускать фотоны все новые атомы. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока существует инверсная заселенность уровня

Инверсная заселенность энергетических уровней — неравновесное состояние среды, при котором число частиц (атомов, молекул), находящихся на верхних энергетических уровнях, т. Е. В возбужденном состоянии, больше, чем число частиц, находящихся на нижних энергетических уровнях. .

Активный элемент

накачка

накачка

Оптический резонатор

Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительной энергии. Световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно усиливается. Дно из зеркал делается полупрозрачным, и из него лазерная волна выходит наружу в окружающую среду.

Сл

4. Рубиновый лазер.

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

Сл

На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Лампа кратковременно вспыхивает, происходит накачка.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют и другие типы лазеров: газовые, полупроводниковые... Они могут работать в непрерывном режиме.

Сл

5. Свойства лазерного излучения:

1. самый мощный источник света;

Р_Солнца = 10⁴ Вт/см², Р_лазера = 10¹⁴ Вт/см².

2. исключительная монохроматичность(монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты);

3. дает очень малую степень расхождения угла;

4. когерентность (т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов).

Сл3

Для работы лазера

необходима система накачки. То есть мы придадим атому либо атомной системе какую-либо энергию, тогда, согласно 2 постулату Бора атом перейдет на более высокий уровень с большим количеством энергии. Далее задача состоит в том, чтобы вернуть атом на прежний уровень, при этом, он излучает фотоны в качестве энергии.

• При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.

• Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой.

• Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение )

Сл15

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый  атом способен излучить  фотон  под действием другого фотона без его поглощения, если  энергия  последнего равняется разности энергий  уровней  атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света.

Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения,  поляризацию и  фазу

Такой же принцип работы и у других квантовых генераторов: мазера, газера и разера, однако они излучают волны другого диапазона.

Мазер излучает микроволны, разер – рентгеновские, а газер – гамма-излучение.

Сл16

Мазер — квантовый генератор, излучающий

когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).

Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частоты.

Сл

Разер (рентгеновский лазер) — источник когерентного электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, основанный на эффекте вынужденного излучения. Является коротковолновым аналогом лазера.

Сл

Применение когерентного рентгеновского излучения включают в себя исследования в области плотной плазмы, рентгеновской микроскопии, медицинской визуализации фазы с разрешением, исследование поверхности материала, и оружия. Мягкий рентгеновский лазер может выполнять функции лазера двигательной установки.

Сл

Работы в области газера ведутся, так как не создана эффективная система накачки.

Лазеры же используются в целом списке отраслей:

6. Применение лазеров: (слайд 16)

• в радиоастрономии для определения расстояний до тел Солнечной системы с максимальной точностью (светолокатор);

• обработка металлов (резка, сварка, плавка, сверление);

• в хирургии вместо скальпеля (например, в офтальмологии);

• для получения объемных изображений (голография);

• связь (особенно в космосе);

• запись и хранение информации;

• в химических реакциях;

• для осуществления термоядерных реакций в ядерном реакторе;

• ядерное оружие.

Сл

Таким образом, квантовые генераторы прочно вошли в быт человечества, позволив решить множество актуальных на тот момент проблем.