запустити on-line скачати

Актуалізація

1. Когерентність. На яких умовах буде відбуватися підсилення двох електромагнітних хвиль?

2. Поглинання та випромінення світла атомом. Актуалізацію можно провести у межах цієї ж моделі (її першої частини).

За яких умов атом буде поглинати світло?

Вмикаємо випромінювач ліворуч, змінюючи колір світла, налаштовуємо енергію фотона меншу за необхідну для переходу атому в збуджений стан. Збільшуємо частоту світла (кольори від червного до синього) та спостерігаємо поглинання фотонів з енергією, що дорінює різниці енергій незбудженого та збудженого станів.

Чи залишиться атом у збудженому стані?

Налаштовуємо малу частоту появи фотонів і спостерігаємо спонтанне випромінювання атомів.

Новий матеріал

1917 року Ейнштейн передбачив можливість індукованого випромінення, тобто проскорення переходу із збудженого стану під дією зовнішнього поля.

Збільшуємо частоту появи фотонів і спостерігаємо при влучанні фотона у збуджений атом появу 2 фотонів. Звертаємо увагу на те, що колір їх (і відповідно, частота) однакові, напрям випромінення може бути різний, додаємо що коливання хвиль знаходяться у однаковій фазі (тобто когерентні). При потребі ставимо модель на паузу і показуємо процес окремими кадрами.

Якби можна було б перевести більшу частину атомів речовини у збуджений стан, а потім одразу її випромінити, то отримали б потужний спалах когерентного світла. Що цьому заважає?

Якщо в атомі тільки два енергетичні рівні, то те світло, що збуджує речовину одночасно спричиняє і появу індукованого випромінювання, тому і потужність мала і окремі хвилі не когерентні.

Перемикаємо модель на відображення великої кількості атомів. Показуємо збудження атомів речовини.

Вихід було знайдено у використанні трьох енергетичних рівнів.

На моделі з одним атомом включаємо другий енергетичний рівень, одночасно з'являється друге джерело світла. Перше джерело відключаємо. Показуємо, що фотони з другого джерела здатні перевести атом у другий збуджений стан. З нього атом без випромінення переходить до першого збудженого стану і вже з випромінення до основного.

Якщо час знаходження атомів у другому збудженому стані буде малий, а на другому більший, то зовнішє випромінення буде тільки збільшувати енергію речовини.

На моделі з великою кількістю атомів вимикаємо дзеркала, показуємо велику кількість атомів у першому збудженому стані.

Потрібні енергетичні рівні мають кристали рубіну. Рубін - це яскраво червоний кристал оксиду алюмінію Al2O3 з домішкою атомів хлору (близько 0,05%). Саме рівні іонів хлору в кристалі мають потрібні властивості.

На рівні 3 система "живе" дуже мало, приблизно 10^-8 с, після цього самовільно без випромінювання переходить до стану 2 (енергія при цьому передається кристалічним гратам). Перехід від стану 2 до стану 1 під впливом зовнішньої електромагнітної хвилі супроводиться випромінюванням, що й використовується у лазерах. Після спалаху потужної лампи система переходить до стану 2 і через проміжок часу близько до 10^-8 с переходить до стану 3, в якому "живе" порівняно довго (приблизно 10^-3 с). Так забезпечується "перенаселеність" збудженого рівня 2 порівняно з не збудженим рівнем 1.

Унаслідок самовільних переходів 2 1 випромінюються хвилі різних напрямів. Ті з них, які йдуть під кутом до осі кристала, виходять з нього і для наступних процесів не мають ніякого значення. Але хвиля, що проходить вздовж осі кристала, багато разів відбивається від його торців.

Включаємо дзеркала і показуємо підсилення світла.

Вона зумовлює випромінювання збуджених іонів хрому і швидко підсилюється. Через один із торців стрижня (напівпрозорий) виходить потужний короткочасний імпульс червоного світла.

Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Але є лазери неперервної дії. На тепер розроблено різні лазери на склі, газах, напівпровідниках та ін. Коефіцієнт корисної дії газового лазера на CO₂ досягає 20%, саме їх використовують в промисловості.
Лазерне випромінювання має такі властивості:

• лазери здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності;

• світло лазера є монохроматичним;
• лазер є найпотужнішим джерелом світла.

Лазери використовують для: зв'язку в космосі, випаровування чи зварювання матеріалів у вакуумі, в хірургічних операціях (офтальмологія), збудження хімічних реакцій, здійснення керованої термоядерної реакції та ін.