6. Взаимодействие излучения с веществом

Привет, Вы узнаете о том , что такое взаимодействие излучения с веществом, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое взаимодействие излучения с веществом , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Колебания и волны (Оптика, акустика и радиофизика).

В этой главе речь пойдет о физических принципах работы квантовых усилителей и генераторов оптического излучения. Принципиальная возможность функционирования таких устройств была отмечена в 1939 г. В.А. Фабрикантом, который обратил внимание на способность среды с инверсной населенностью уровней усиливать проходящее через нее излучение. Первые квантовые генераторы, работающие в диапазоне сантиметровых волн (мазеры), были созданы в 1953 г., а в 1960 г. был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне длин волн (лазер). Название этих приборов происходит от заглавных букв английских слов: «мазер» — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения), «лазер» — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью вынужденного излучения). В 1964 г. Н. Басову, А. Прохорову и Ч. Таунсу за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к разработке генераторов и усилителей нового типа — мазеров и лазеров, была присуждена Нобелевская премия.

Рис. 6.1. Лауреаты Нобелевской премии по физике 1964 года

6.1. Вывод формулы М. Планка по А. Эйнштейну

Ранее мы обсудили, что атомы и ансамбли атомов могут находиться в различных состояниях, характеризуемых набором квантовых чисел. Переход из одного энергетического состояния Е_п в другое Е_т сопровождается поглощением или испусканием кванта электромагнитного излучения — фотона, обладающего энергией

где — частота излучения. Если Е_п > Е_т, то мы имеем дело со спонтанным (самопроизвольным) переходом атома с более высокого на более низкий уровень, в результате чего испускается фотон с энергией

.

Схематически этот процесс спонтанного излучения можно изобразить в виде «реакции»

где звездочка указывает на возбужденное состояние атома А.

Если же Е_п < Е_т, то мы имеем дело с вынужденным переходом, сопровождающимся поглощением фотона, энергия

которого идет на увеличение энергии атома (перевод его на более высокий, возбужденный уровень):

В 1918 г. А. Эйнштейн обратил внимание на то, что существуют и «испускательные» переходы другого типа, которые происходят под действием внешнего электромагнитного излучения и вероятность которых возрастает с увеличением интенсивности излучения. В таком процессе фотон падает на возбужденный атом и заставляет его перейти в низшее состояние с излучением другого фотона. В конечном итоге в системе оказывается два фотона — начальный и излученный (рис. 6.2):

Рис. 6.2 Схема индустрированного излучения

Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным или индуцированным излучением. Спонтанное излучение хаотично по направлениям и фазам испускаемых фотонов, так как излучающие атомы независимы. Индуцированное же излучение должно быть по своим характеристикам тождественно с тем внешним излучением, которое, проходя через вещество, его породило. А именно: индуцированное излучение имеет ту же частоту, направление и поляризацию, что и вынуждающее внешнее излучение. Фазы испускаемых фотонов скоррелированы с вынуждающими колебаниями, то есть индуцированное излучение когерентно вынуждающему его излучению.

Вероятности всех трех типов процессов (поглощения, спонтанного и вынужденного излучений) рассчитываются в квантовой электродинамике. Во времена Эйнштейна эта теория еще не была создана, и он применил для анализа проблемы наглядные термодинамические соображения. Далее мы для простоты рассмотрим набор из N атомов, имеющих всего два невырожденных уровня энергии Е₁ и Е₂ (Е₂ > Е₁) — так называемую двухуровневую среду. Пусть в момент времени t какие-то N₂ из общего числа атомов находятся в более высоком энергетическом состоянии 2, и пусть вероятность спонтанного излучения отдельного атома в единицу времени равна А₂₁. Тогда изменение числа атомов в состоянии 2 за малое время dt составит

Знак минус указывает на убыль числа атомов на уровне 2. Величина А₂₁ называется коэффициентом Эйнштейна для спонтанного излучения. Теперь интегрированием легко получаем

где N₂(0) — число атомов в состоянии 2 в начальный момент времени. По смыслу формулы величина

есть среднее время жизни атома в возбужденном состоянии (то есть время, за которое число возбужденных атомов уменьшится в е раз). Этот параметр определяет вероятность процесса спонтанного излучения для данного типа атомов.

Представим теперь, что атомы находятся в равновесии с излучением частотой

и спектральной плотностью энергии u(, Т) (плотностью энергии в единичном интервале частот). Спектральная плотность энергии пропорциональна числу фотонов данной частоты. Чем больше фотонов, тем вероятнее поглощение одного из них атомом. Поэтому для вероятности процесса вынужденного поглощения излучения атомом в единицу времени можно написать выражение

где коэффициент Эйнштейна В₁₂ характеризует свойства данного атома. Для числа переходов в возбужденное состояние за время dt имеем

Для вероятности индуцированного излучения Эйнштейн предложил использовать аналогичную формулу

с каким-то другим, вообще говоря, коэффициентом В₂₁. Складывая W₂₁ с вероятностью спонтанного перехода, получаем полную вероятность перехода из состояния 2 в состояние 1 в единицу времени

так что число переходов из возбужденного состояния за время dt равно

При термодинамическом равновесии вещества и электромагнитного поля должен соблюдаться баланс между процессами испускания и поглощения света, то есть равенство полного числа актов испускания света и актов его поглощения. Такое равновесие устанавливается в замкнутой полости, температура Т стенок которой поддерживается постоянной. Если в состоянии равновесия числа переходов 2–1 и 1–2 равны

то мы получаем

Распределение атомов по энергиям при термодинамическом равновесии подчиняется закону Больцмана (уровни и по предположению невырождены)

откуда

При повышении температуры спектральная плотность энергии должна неограниченно возрастать. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Так будет лишь при условии В₂₁ = В₁₂, то есть получаем, что коэффициенты Эйнштейна для вынужденного поглощения и индуцированного излучения света равны. Отсюда

Заметим также, что коэффициенты Эйнштейна не зависят от температуры, ибо относятся к отдельным актам поглощения-испускания фотонов атомом, а температура — это характеристика ансамбля атомов. Тогда в пределе высоких температур мы получаем из (6.11) выражение

Из сопоставления предыдущей формулы с законом Рэлея-Джинса следует, что

Подставляя (6.13) в (6.11), мы получаем формулу Планка (27.26) для спектральной плотности излучения черного тела. Соотношения между коэффициентами Эйнштейна, выведенные им из простых термодинамических соображений, были подтверждены впоследствии точными расчетами.

Разделив u(, Т) на число (²/p²с₃) типов колебаний в единице объема в единичном интервале частот, получаем среднюю энергию одного типа колебания (фотона) частотой :

Разделив, в свою очередь, это выражение на энергию фотона, находим среднее число фотонов данной частоты при равновесии:

С этой формулой и ее аналогами мы еще встретимся в нашем курсе.

6.2. Понятие о лазерах

Прохождение излучения через вещество. Инверсная населенность уровней. Снова рассмотрим двухуровневую среду с энергетическими уровнями Е₂ и Е₁ (Е₂ > Е₁). Если на эту среду падает монохроматическое излучение с частотой

то при распространении его на расстояние dx изменение спектральной плотности энергии du_w будет связано как с резонансным поглощением, так и с индуцированным (вынужденным) излучением атомов системы. За счет индуцированного излучения спектральная плотность энергии u_w = u в пучке возрастает, причем это увеличение энергии du₊ должно быть пропорционально:

• плотности энергии в пучке;
• концентрации п₂ атомов в состоянии 2;
• пройденному расстоянию dх;
• соответствующему коэффициенту Эйнштейна,

то есть

Здесь — размерный коэффициент пропорциональности.

Аналогично за счет процессов поглощения фотонов спектральная плотность энергии в пучке уменьшается:

Складывая dи₊ и du_-, находим полное изменение du плотности энергии:

Учитывая равенство коэффициентов Эйнштейна В₂₁ = В₁₂ и вводя коэффициент поглощения a, записываем это уравнение в виде

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид

Эта формула дает спектральную плотность энергии и в пучке фотонов при прохождении ими слоя вещества толщиной х, где u₀ соответствует точке х = 0.

В условиях термодинамическою равновесия, в соответствии с распределением Больцмана, п₂ < п₁, поэтому коэффициент поглощения а положителен (Е₂ > Е₁):

Таким образом, плотность энергии излучения, как видно из (6.18), убывает по мере прохождения через вещество, то есть свет поглощается. Однако, если создать систему, в которой n₂ > n₁, то коэффициент поглощения a станет отрицательным и будет иметь место не ослабление, а усиление интенсивности света. Состояние среды, в котором n₂ > n₁ называется состоянием с инверсной населенностью уровней (рис. 6.3), а сама среда называется тогда активной средой. Инверсная населенность уровней противоречит равновесному распределению Больцмана и может быть создана лишь искусственно, если система выведена из состояния термодинамического равновесия.

Рис. 6.3. Состояние среды с инверсной населенностью уровней

Это создает принципиальную возможность усиления и генерации когерентного оптического излучения и используется на практике при разработке источников такого излучения — лазеров.

Принцип работы лазера. Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах (активных средах). Первый практический генератор в видимой области спектра был создан в (США Мейманом (1960)) на основе рубина. Рубин представляет собой кристаллическую решетку А1₂О₃, содержащую небольшую (0,03 % – 0,05 %) примесь ионов хрома (Сr). На рис. 6.4 представлена схема энергетических уровней хрома (трехуровневая среда). Широкий уровень Е₃ используется для возбуждения ионов хрома светом мощной газоразрядной лампы с широкой полосой частот в зелено-голубой области видимого света — лампы накачки. Возбуждение ионов хрома Сr⁺⁺⁺ за счет энергии накачки от внешнего источника изображено стрелкой В₁₃.

Рис. 6.4. Схема активной трехуровневой среды (рубин)

Электроны с короткоживущего уровня Е₃ совершают быстрый (10^–7–10^–8 с) безызлучательный переход на уровень Е₂ (изображен синей стрелкой). Выделяемая при этом энергия не испускается в виде фотонов, а передается кристаллу рубина. При этом рубин нагревается, поэтому в конструкции лазера предусматривается охлаждение.

Время жизни долгоживущего узкого уровня Е₂ составляет 10^–3 с, то есть на 5 порядков больше, чем у широкополосного уровня Е₃. При достаточной мощности накачки число электронов на уровне Е₂ (его называют метастабильным) становится больше, чем на уровне Е₁, то есть создается инверсная населенность между «рабочими» уровнями Е₂ и Е₁.

Излученный при спонтанном переходе между этими уровнями фотон (изображен штриховой стрелкой A₂₁) индуцирует испускание дополнительных (вынужденных) фотонов — (переход показан стрелкой В₂₁), которые в свою очередь вызывают индуцированное излучение целого каскада фотонов с длиной волны l = 6 943 А.

Пример 1. Определим относительную населенность n₂/n₁ рабочих уровней в кристалле рубина при комнатной температуре в условиях термодинамического равновесия.

Исходя из длины волны, испускаемой рубиновым лазером, находим разность энергий:

При комнатной температуре Т = 300 К имеем:

Из распределения Больцмана следует теперь

Реализация активной среды с инверсной населенностью уровней — это лишь половина дела. Для работы лазера необходимо также создать условия для генерации света, то есть использовать положительную обратную связь. Активная среда сама по себе способна лишь усиливать проходящее излучение. Для осуществления режима генерации необходимо такое усиление индуцированного излучения, которое компенсировало бы все потери в системе. Для этого активное вещество помещают в оптический резонатор, образованный, как правило, двумя параллельными зеркалами, одно из которых является полупрозрачным и служит для вывода излучения из резонатора. Конструктивно в первых лазерах на рубине использовались кристаллы цилиндрической формы длиной 40 мм и диаметром 5 мм. Торцы были отполированы параллельно друг другу и служили зеркалами резонатора. Один из торцов был посеребрен так, что коэффициент отражения был близок к единице, а другой торец был полупрозрачным, то есть имел коэффициент отражения меньше единицы, и использовался для вывода излучения из резонатора. Источником возбуждения служила мощная импульсная ксеноновая лампа, обвивающая рубин спиралью. Устройство рубинового лазера схематически представлено на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Устройство рубинового лазера: 1 — рубиновый стержень; 2 — импульсная газоразрядная лампа; 3 — полупрозрачное зеркало; 4 — зеркало; 5 — индуцированное излучение

При достаточной мощности лампы накачки большинство (около половины) ионов хрома переводится в возбужденное состояние. После того как достигается инверсная населенность для рабочих уровней с энергией Е₂ и Е₁, первые спонтанно излучаемые фотоны, соответствующие переходу между этими уровнями, не имеют преимущественного направления распространения и вызывают индуцированное излучение, распространяющееся также по всем направлениям в кристалле рубина. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от его торцов. Фотоны же, распространяющиеся в других направлениях, выходят из кристалла рубина через его боковую поверхность и не участвуют в формировании выходящего излучения. Так в резонаторе генерируется узкий пучок света, а многократное прохождение фотонов через активную среду индуцирует излучение все новых и новых фотонов, усиливая интенсивность выходного пучка.

Генерация светового излучения рубиновым лазером показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Генерация излучения рубиновым лазером

Таким образом, оптический резонатор выполняет две функции: во-первых, создает положительную обратную связь и, во-вторых, формирует узкий направленный пучок излучения с определенной пространственной структурой.

В рассмотренной трехуровневой схеме для создания инверсной населенности между рабочими уровнями нужно возбудить достаточно большую долю атомов, что требует значительных затрат энергии. Более эффективной является четырехуровневая схема, которая применяется в твердотельных лазерах, например, с использованием ионов неодима Nd³⁺. В наиболее распространенном газовом лазере на нейтральных атомах — гелий-неоновом лазере — также выполняются условия для генерации по четырехуровневой схеме. Активной средой в таком лазере является смесь инертных газов — гелия и неона с энергией основного состояния Е₁ (которую мы принимаем за нулевой уровень Е₁ = 0). Накачка осуществляется в процессе электрического газового разряда, благодаря которому атомы переходят в возбужденное состояние с энергией Е₃. Уровень Е₄ в атомах неона (рис. 6.7) близок к уровню Е₃ в гелии, и при столкновении атомов гелия с атомами неона энергия возбуждения может быть эффективно передана последним без излучения.

Рис. 6.7. Схема уровней Не-Ne-лазера

Таким образом, уровень Е₄ неона оказывается более населенным, нежели более низкий уровень Е₂. Переход между этими рабочими уровнями сопровождается излучением с длиной волны 632.8 нм, которая является основной в промышленных Не-Ne-лазерах. На уровне Е₂ атомы неона долго не задерживаются, быстро возвращаясь в основное состояние. Заметим, что уровень Е₂ в неоне заселен крайне незначительно, и потому для создания инверсной населенности между Е₄ и Е₂ надо возбудить небольшое число атомов гелия. Это требует гораздо меньших затрат энергии как на накачку, так и на охлаждение установки, что характерно для четырехуровневой схемы генерации. Для лазерной генерации могут быть использованы и другие уровни неона (не показаны на рис. 6.7), дающие излучение как в видимом, так и в ИК-диапазоне, причем гелий используется только для процесса накачки.

Пример 2. Найдем относительную равновесную населенность уровня Е₂ в неоне при комнатной температуре.

Эта задача отличается от предыдущей лишь численными значениями. Для разнообразия проведем вычисления в электрон-вольтах. Выразим сначала в этих единицах постоянную Больцмана:

так что при комнатной температуре

Теперь легко находим

Столь малое число с практической точки зрения не отличается от нуля, поэтому даже при слабой накачке создается инверсная населенность между уровнями Е₄ и Е₂.

Излучение лазеров отличается характерными особенностями:

• высокой временной и пространственной когерентностью (монохроматичность излучения и малая расходимость пучка);
• высокой спектральной интенсивностью.

Характеристики излучения зависят от типа лазера и режима работы, однако можно отметить некоторые близкие к предельным значения параметров:

• ширина линии генерации — около 0.1 А;
• пиковая интенсивность — около 10¹³ Вт/мм²;
• расходимость пучка — около 1".

Короткие (пикосекундные) импульсы лазера незаменимы при изучении быстротекущих процессов. В импульсе может развиваться чрезвычайно высокая пиковая мощность (до нескольких ГВт), что равно мощности нескольких блоков АЭС по миллион кВт каждый. При этом излучение может быть сосредоточено в узком конусе. Такие пучки позволяют, например, «приваривать» сетчатку к глазному дну.

Типы лазеров. В рамках курса общей физики мы не можем остановиться подробно на специфических особенностях и технических применениях лазеров различных типов ввиду их чрезвычайного многообразия. Ограничимся лишь достаточно кратким обзором типов лазеров, различающихся характеристиками активной среды и способами накачки.

Твердотельные лазеры. Обычно они бывают импульсными, первым таким лазером был описанный выше рубиновый. Популярны лазеры на стекле с неодимом в качестве рабочего вещества. Они генерируют свет с длиной волны порядка 1,06 мкм, имеют большие размеры и пиковую мощность до ТВт. Могут быть использованы для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу. Пример — огромный лазер «Шива» в Ливерморской лаборатории в США.

Очень распространены лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG), излучающие в ИК-диапазоне на длине волны l = 1,064 мкм. Они могут работать как в непрерывном режиме генерации, так и в импульсном, с частотой повторения импульсов до нескольких кГц (для сравнения: у рубинового лазера — 1 импульс в несколько минут). Имеют широкий спектр применений в электронной технике (лазерная технология), оптической локации, медицине и др.

Газовые лазеры. Обычно это лазеры непрерывного действия. Отличаются правильной пространственной структурой пучка. Пример: гелий-неоновый лазер, генерирующий свет на длинах волн 0,63, 1,15 и 3,39 мкм и имеющий мощность порядка мВт. В технике широко используется СО₂-лазер с мощностью порядка кВт и длинами волн 9,6 и 10,6 мкм. Один из способов накачки газовых лазеров — электрический разряд. Разновидность лазеров с активной газовой средой - химические и эксимерные лазеры. На рисунке 6.8 приведен гелий-неоновый лазер.

Рис. 6.8. Гелий-неоновый лазер

Химические лазеры. Инверсная населенность создается в процессе химической реакции между двумя газами, например водородом (дейтерием) и фтором. В основе лежат экзотермические реакции

Молекулы HF уже рождаются с возбуждением колебаний, что сразу создает инверсную населенность. Образовавшаяся рабочая смесь пропускается со сверхзвуковой скоростью через оптический резонатор, в котором в виде электромагнитного излучения выделяется часть накопленной энергии. С помощью системы зеркал резонатора это излучение фокусируется в узкий луч. Такие лазеры излучают большую энергию (более 2 кДж), длительность импульса 30 нс, мощность до 2·10¹¹ Вт. КПД (химический) достигает 10 %, в то время как обычно для других типов лазеров — доли процента. Генерируемая длина волны — 2.8 мкм (3.8 мкм для лазеров на DF).

Из многочисленных типов химических лазеров наиболее перспективными признаны лазеры на фтористом водороде (дейтерии). Проблемы: излучение лазеров на фтористом водороде с указанной длиной волны активно рассеивается молекулами воды, всегда имеющимися в атмосфере. Это намного ослабляет яркость излучения. Лазер на фтористом дейтерии работает на длине волны, для которой атмосфера практически прозрачна. Однако удельное энерговыделение таких лазеров в полтора раза меньше, чем у лазеров на НF Это значит, что при использовании их в космосе придется выводить гораздо большее количество химического топлива.

Эксимерные лазеры. Молекулы эксимера — это двухатомные молекулы (например, Хе₂), которые могут находиться только в возбужденном состоянии — невозбужденное состояние у них оказывается неустойчивым. С этим связана основная особенность эксимерных лазеров: основное состояние эксимерных молекул является незаполненным, то есть нижний рабочий лазерный уровень всегда оказывается пустым. Накачка осуществляется импульсным электронным пучком, который переводит значительную часть атомов в возбужденное состояние, в котором они и объединяются в эксимерные молекулы.

Поскольку переход между рабочими уровнями является широкополосным, возможна перестройка частоты генерации. Лазер на Хе₂ дает перестраиваемые излучения в области УФ (l = 173 нм) и имеет высокую эффективность (20 %) преобразования энергии. В настоящее время эксимерные ArF-лазеры с длиной волны 193 нм используются в офтальмологической хирургии для поверхностного испарения (абляции) роговицы.

Жидкостные лазеры. Активное вещество в жидком состоянии однородно и допускает циркуляцию с целью охлаждения, что создает преимущества перед твердотельными лазерами. Это позволяет получить большие энергии и мощности в импульсном и непрерывном режимах. В первых жидкостных лазерах (1964–1965) использовались соединения редкоземельных элементов. На смену им пришли лазеры на растворах органических красителей.

В таких лазерах обычно используется оптическая накачка излучения других лазеров видимого или УФ-диапазона. Интересным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты генерации. Подбором красителя можно получить генерацию на любой длине волны от ближнего ИК- до ближнего УФ-диапазона. Это связано с широкими сплошными колебательно-вращательными спектрами молекул жидкости.

Полупроводниковые лазеры. В отдельный класс выделяются твердотельные лазеры на полупроводниковых материалах. Накачка производится бомбардировкой пучком электронов, мощным лазерным облучением, но чаще — методами электроники. В полупроводниковых лазерах используются переходы не между дискретными уровнями энергии отдельных атомов или молекул, а между разрешенными энергетическими зонами, то есть совокупностями близко расположенных уровней (об энергетических зонах в кристаллах подробнее говорится в последующих разделах). Использование различных полупроводниковых материалов позволяет получать излучение на длинах волн от 0,7 до 1,6 мкм. Размеры активного элемента чрезвычайно малы: длина резонатора может быть менее 1 мм.

Типичная мощность порядка нескольких кВт, длительность импульса около 3 нс, эффективность достигает 50 %, имеют широкое применение (волоконная оптика, связь). Могут быть использованы для проецирования телевизионного изображения на большой экран.

Лазеры на свободных электронах. Пучок высокоэнергетических электронов пропускается через «магнитную гребенку» — пространственно-периодическое магнитное поле, вынуждающее электроны колебаться с заданной частотой. Соответствующее устройство — ондулятор — представляет собой ряд магнитов, которые располагаются между секциями ускорителя, так что релятивистские электроны движутся вдоль оси ондулятора и совершают поперечные ей колебания, излучая первичную («спонтанную») электромагнитную волну. В открытом резонаторе, куда далее поступают электроны, спонтанная электромагнитная волна усиливается, создавая когерентное направленное лазерное излучение. Главная особенность лазеров на свободных электронах состоит в возможности плавной перестройки частоты генерации (от видимого до ИК-диапазона) за счет изменения кинетической энергии электронов. КПД таких лазеров составляет 1 % при средней мощности до 4 Вт. С использованием устройств возврата электронов в резонатор КПД может быть увеличен до 20–40 %.

Рис. 6.9. Фотография первой очереди ЛСЭ

Рентгеновский лазер с ядерной накачкой. Это наиболее экзотический лазер. Схематично он представляет собой ядерную боеголовку, на поверхности которой укреплено до 50 металлических стержней, ориентированных в разных направлениях. Стержни имеют две степени свободы и, подобно стволам орудий, могут направляться в любую точку пространства. Вдоль оси каждого стержня расположена тонкая проволока из материала высокой плотности (порядка плотности золота) — активная среда. Источником энергии накачки лазера служит ядерный взрыв. При взрыве активное вещество переходит в плазменное состояние. Мгновенно остывая, плазма испускает когерентное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Из-за высокой концентрации энергии излучение, попадая на цель, приводит к взрывному испарению вещества, образованию ударной волны и разрушению цели.

Таким образом, принцип действия и устройство рентгеновского лазера делают очевидным и область его применения. В описанном лазере не предусмотрены зеркала резонатора, использование которых в рентгеновском диапазоне не представляется возможным.

Некоторые виды лазеров показаны на рисунке 6.10.

Рис. 6.10. Некоторые виды лазеров: 1 — лабораторный лазер; 2 — лазер непрерывного действия на СО₂; 3 — технологический лазер для пробивания отверстий; 4 — мощный технологический лазер

6.3. Нелинейные эффекты в оптике

Распространение в среде световых волн, излучаемых обычными источниками света, описывается линейными дифференциальными уравнениями (линейная оптика), что означает независимость оптических характеристик среды от интенсивности света. Создание лазеров сделало возможным получение световых волн с напряженностью электрического поля, сравнимой по величине с напряженностью микроскопического внутриатомного поля (порядка 10¹⁰ В/м). В таких полях показатель преломления и другие оптические характеристики среды обнаруживают зависимость от напряженности поля Е световой волны. В этом случае нарушается принцип суперпозиции полей, то есть принцип независимого распространения электромагнитных волн в веществе, а соответствующие дифференциальные уравнения становятся нелинейными. Это приводит к существенному изменению характера протекания в среде известных оптических явлений, а также к возникновению совершенно новых, так называемых нелинейных эффектов в оптике. К ним относятся:

• нелинейное поглощение света (самопросветление и самозатемнение среды);
• преобразование частоты (генерация гармоник, параметрическая генерация и вынужденные рассеяния света);
• эффекты самовоздействия света (самофокусировка и самодефокусировка пучков);
• многофотонные процессы.

Нелинейный эффект насыщения поглощения света наблюдался задолго до появления лазеров. В 1923 г. С.И. Вавилов и В.Л. Левшин обнаружили уменьшение коэффициента поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности облучения. Этот первый нелинейно-оптический эффект объясняется тем, что вследствие сильного облучения значительная доля поглощающих частиц среды переходит в возбужденное состояние и уже не может далее поглощать свет.

Нелинейные эффекты преобразования частоты и самовоздействия света возникают вследствие того, что в поляризации среды появляется нелинейная составляющая, которая растет с увеличением интенсивности электромагнитной волны. Наличие такой нелинейной составляющей объясняется ангармонизмом колебаний частиц среды в поле мощной световой волны. Из-за этого ангармонизма отклик среды на гармоническое внешнее электрическое поле становится нелинейным, то есть перестает повторять форму внешнего воздействия. Таким образом, в электрическом поле, переизлученном атомами и молекулами вещества, появляются новые гармонические составляющие — происходит генерация высших оптических гармоник падающего на среду оптического излучения. Наибольшее распространение в практических приложениях имеет процесс генерации второй гармоники в «нелинейных кристаллах» со специально подобранными свойствами. Так, например, невидимое глазом ИК-излучение Nd:YAG-лазepa с длиной волны l = 1,064 мкм в кристалле KDP (дигидрофосфата калия) преобразуется в зеленый свет с длиной волны l/2 = 0,532 мкм.

Нелинейная поляризация среды является также причиной зависимости показателя преломления от интенсивности электромагнитной волны. Если показатель преломления увеличивается с ростом интенсивности световой волны, то лучи изгибаются к оси пучка, и при превышении некоторой критической мощности наблюдается явление самофокусировки света — расходящийся световой пучок становится сходящимся. Возможен и противоположный процесс самовоздействия света — самодефокусировка пучка, если показатель преломления уменьшается с ростом интенсивности волны.

При многофотонных процессах нелинейного взаимодействия оптического излучения с веществом в одном элементарном акте происходит одновременное поглощение (или испускание) двух и более фотонов. Вероятность таких процессов увеличивается с ростом интенсивности волны. Многофотонный фотоэффект или фотоионизация сопровождаются поглощением нескольких фотонов, энергия каждого из которых меньше работы выхода или энергии ионизации, соответственно. К нелинейным процессам взаимодействия со средой относится и явление комбинационного рассеяния света.

Можно продолжить перечисление процессов, таких, как нелинейное рассеяние света и т. п., происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения со средой. Таким образом, с появлением лазеров возникла новая область физики — нелинейная оптика.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• лазер
• мазер

Исследование, описанное в статье про взаимодействие излучения с веществом, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое взаимодействие излучения с веществом и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Колебания и волны (Оптика, акустика и радиофизика)