1. Принцип генерации лазерного излучения
Атомная структура подобна небольшой солнечной системе, в центре которой находится атомное ядро. Электроны постоянно вращаются вокруг атомного ядра, и атомное ядро также постоянно вращается.
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны — отрицательный. Число положительных зарядов, переносимых всем ядром, равно числу отрицательных зарядов, переносимых всеми электронами, поэтому атомы, как правило, нейтральны по отношению к внешнему миру.
Что касается массы атома, то ядро концентрирует большую часть его массы, а масса, занимаемая всеми электронами, очень мала. В атомной структуре ядро занимает лишь небольшое пространство. Электроны вращаются вокруг ядра, и у электронов гораздо больше пространства для активности.
Атомы обладают «внутренней энергией», которая состоит из двух частей: во-первых, это скорость вращения электронов и определенная кинетическая энергия; во-вторых, это расстояние между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром и определенная потенциальная энергия. Сумма кинетической и потенциальной энергии всех электронов составляет энергию всего атома и называется внутренней энергией атома.
Все электроны вращаются вокруг ядра; иногда ближе к ядру энергия этих электронов меньше; иногда дальше от ядра энергия этих электронов больше; в зависимости от вероятности возникновения событий, электронный слой делится на различные «энергетические уровни»; на определенном «энергетическом уровне» может находиться множество электронов, часто вращающихся вокруг него, и каждый электрон не имеет фиксированной орбиты, но все эти электроны имеют одинаковый уровень энергии; «энергетические уровни» изолированы друг от друга. Да, они изолированы в соответствии с энергетическими уровнями. Концепция «энергетического уровня» не только делит электроны на уровни в соответствии с энергией, но и делит пространство орбит электронов на несколько уровней. Короче говоря, атом может иметь несколько энергетических уровней, и разные энергетические уровни соответствуют разным энергиям; некоторые электроны вращаются на «низком энергетическом уровне», а некоторые — на «высоком энергетическом уровне».
В настоящее время в учебниках физики для средней школы четко обозначены структурные характеристики определенных атомов, правила распределения электронов в каждом электронном слое и количество электронов на разных энергетических уровнях.
В атомной системе электроны, по сути, движутся слоями, при этом одни атомы находятся на высоких энергетических уровнях, а другие — на низких; поскольку атомы всегда подвержены воздействию внешней среды (температуры, электричества, магнетизма), электроны на высоких энергетических уровнях нестабильны и могут спонтанно переходить на низкие энергетические уровни, при этом их эффект может быть поглощен, или же могут возникать особые эффекты возбуждения, вызывающие «спонтанное излучение». Поэтому в атомной системе при переходе электронов с высоких энергетических уровней на низкие энергетические уровни наблюдаются два явления: «спонтанное излучение» и «стимулированное излучение».
При спонтанном излучении электроны в высокоэнергетических состояниях нестабильны и, под воздействием внешней среды (температуры, электричества, магнетизма), спонтанно переходят в низкоэнергетические состояния, а избыточная энергия излучается в виде фотонов. Характерной чертой этого вида излучения является то, что переход каждого электрона происходит независимо и носит случайный характер. Фотонные состояния спонтанного излучения разных электронов различны. Спонтанное излучение света находится в «некогерентном» состоянии и имеет рассеянные направления. Однако спонтанное излучение обладает характеристиками самих атомов, и спектры спонтанного излучения разных атомов различны. Говоря об этом, вспомним одно из основных знаний физики: «Любой объект обладает способностью излучать тепло, а также способностью непрерывно поглощать и излучать электромагнитные волны. Электромагнитные волны, излучаемые теплом, имеют определенное спектральное распределение. Это спектральное распределение связано со свойствами самого объекта и его температурой». Следовательно, причиной существования теплового излучения является спонтанное излучение атомов.
При стимулированном излучении электроны с высоких энергетических уровней переходят на низкие энергетические уровни под воздействием «стимуляции» или «индукции» «фотонов, соответствующих условиям» и излучают фотон той же частоты, что и падающий фотон. Главная особенность стимулированного излучения заключается в том, что фотоны, генерируемые стимулированным излучением, находятся в точно таком же состоянии, как и падающие фотоны, генерирующие стимулированное излучение. Они находятся в «когерентном» состоянии. Они имеют одинаковую частоту и одинаковое направление, и совершенно невозможно различить между ними различия. Таким образом, один фотон в результате одного стимулированного излучения превращается в два идентичных фотона. Это означает, что свет усиливается, или «амплифицируется».
Теперь давайте еще раз проанализируем, какие условия необходимы для получения все более частого стимулированного излучения?
В нормальных условиях количество электронов на высоких энергетических уровнях всегда меньше, чем количество электронов на низких энергетических уровнях. Чтобы атомы могли производить стимулированное излучение, необходимо увеличить количество электронов на высоких энергетических уровнях, поэтому нужен «источник накачки», цель которого – стимулировать большее количество электронов с низких энергетических уровней. Слишком много электронов с низких энергетических уровней перескакивают на высокие, поэтому количество электронов на высоких энергетических уровнях будет больше, чем количество электронов на низких энергетических уровнях, и произойдет «обращение числа частиц». Слишком много электронов на высоких энергетических уровнях могут оставаться там лишь очень короткое время. За это время они перескакивают на более низкий энергетический уровень, поэтому вероятность стимулированного излучения возрастает.
Конечно, «источник накачки» устанавливается для разных атомов. Это заставляет электроны «резонансовать», позволяя большему количеству электронов с низких энергетических уровней переходить на более высокие энергетические уровни. Читатели в основном могут понять, что такое лазер? Как производится лазер? Лазер — это «световое излучение», которое «возбуждается» атомами объекта под действием определенного «источника накачки». Это и есть лазер.
Дата публикации: 27 мая 2024 г.
