Вопрос 5. Свойства и применения лазерного излучения

Гамма-лазер.

Рентгеновский лазер на свободных электронах.

К 2015 г. должен быть введен в строй новый гигантский рентгеновский XFEL−лазер на базе ускорителя электронов. Аббревиатура XFEL обозначает рентгеновский лазер насвободных электронах (X -ray F ree- E lectron L aser). При торможении релятивистских электронов в резонаторе часть их энергии излучается в виде рентгеновского излучения с длиной волны в диапазоне

(0,085 – 6) нм.

Временное разрешение на несколько порядков выше, чем у известных на сегодня источников излучения: длительность импульса рентгеновского лазера составляет порядка 100 фемтосекунд (1 фс= 10^-15 с).

Такое рентгеновское излучение когерентно, что дает возможность регистрации голографических изображений на атомарном уровне.

Гамма-излучение − коротковолновое электромагнитное излучение в диапозоне длин волн от 10^-11 м до 10^-13 м. При столь коротких волнах волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо. На первый план выступают корпускулярные свойства.

Идея гамма-лазера возникла в связи с появлением оптического лазера и открытием эффекта Мёссбауэра. Открытие безотдачного излучения γ-квантов поставило вопрос о реализации вынужденного излучения системой возбуждённых ядер. Впервые на эту возможность указал Л. А. Ривлин в 1961 г.

Пока генерация вынужденного излучения в γ-диапазоне не осуществлена. В настоящее время проблема создания гамма-лазера на излучательных ядерных переходах активно разрабатывается во многих странах в рамках одного из интенсивно развивающихся направлений современной квантовой нуклеоники – нового раздела физики, распространяющего идеи и методы квантовой электроники атомов и световых фотонов на атомные ядра и гамма-кванты.

1. Лазерное излучение обладает высокой временной и пространственнойкогерентностью. Время когерентности τ ~ 10^-3 с, что соответствует длине когерентности l = cτ ~ 10⁵ м, т.е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.

2. Монохроматичность лазерного излучения. Как уже отмечалось, энергетические уровни атомов обладают определенной шириной, причем в кристалле из-за взаимного влияния атомов происходит более значительное уширение уровней, чем в газе. Вследствие этого вынужденное излуче­ние будет происходит не при одной строго опре­деленной частоте, а в некотором интервале частот. Правда, увеличение ширины энергетического уровня позволяет использовать боль­шую часть излучения лампы накачки для создания инверсной насе­ленности, т. е. увеличить коэффициент полезного действия лампы накачки.

При использовании резонатора ширина спектральных линий для оптиче­ских квантовых генераторов становится более узкой по сравнению с естественной шириной спектральной линии.

В этой связи следует обратить внимание на то, что до появле­ния оптических квантовых генераторов считалось принципиально невозможным преодоление предела существующей до тех пор моно­хроматичности, определяемой естественной шириной спектральной линии, обусловленной, в свою очередь, конечностью времени излучения отдельного атома.

3. Направленность лазерного излучения. Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 10⁴ раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например у прожектора). Это объясняется как свойством индуцированного излу­чения, так и воздействием резонатора. Однако, несмотря на это, из-за явления дифракции строго параллельный пучок света полу­чить принципиально невозможно. Как известно, при любом ограни­чении фронта волны имеет место дифракция. Так как при генерации света в лазере фронт световой волны ограничивается окружностью основания кристалла рубина или же зеркала диаметром D, то, согласно теории дифракции, угол минимального расхождения лучей определяется из следующего условия:

θ_мин ≥ 1,22λ/D.

Углы расхождения составляют соответственно для газовых лазеров

1'—2', для рубиновых 7'—9', для полупроводниковых 1°—2°. Диаметр расхождения таких лучей у поверхности Луны при ее локации с поверхности Земли составляет всего 3 км.

4. Интенсивность лазерного излучения. При увеличении мощности накачки увеличивается интенсивность лазерного излучения. Однако такое увеличение имеет предел. Это обусловлено тем, что по мере увеличения числа атомов в метастабильном состоянии возрастают процессы спонтанного излучения, в результате чего уменьшается инверсия населенности, приводящая к уменьшению интенсивности излучения. Энергия излучения рубиновых лазеров по сравнению с газовыми больше и может достигнуть 10 Дж и более, что связано с большей концентрацией активных атомов в рубине, чем в газе. Из-за очень малой длительности излучения в рубиновых лазерах такая энергия создает мощность порядка 10¹⁰ Вт / м ².

С помощью специальных усовершенствований можно увеличить мощность лазеров до 10¹² Вт.

Применения лазеров. Применения лазеров чрезвычайно разнообразны. Это − лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптическая обработка информации, интегральная и волоконная оптика, волоконно-оптические линии связи, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физические приборы.

Как уже отмечалось, мощные импульсные лазеры видимого и ИК-диапапазонов используются для создания активной среды рентгеновского лазера.

Другим перспективным направлением применения лазеров является

управляемый термоядерный синтез.

В США ведутся работы по программе управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы (I nertial С onfinement F usion — ICF). Данная программа − альтернатива работам по созданию систем с магнитным удержанием плазмы (это токамаки и стеллараторы). Для этих целей создана установка NIF (N ational I gnition F acility — «Национальная установка зажигания»), в которой для обстрела мишени используется 192 ультрафиолетовых лазера.

Мощный сфокусированный лазерный импульс, направленный на мишень из смеси дейтерия и трития в виде сферы диаметром около 2 мм, превратит ее в плазму с температурой около 100 миллионов градусов. При такой температуре произойдет термоядерная реакция синтеза. Запуск установки на полную мощность запланирован на 2013 г.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается спонтанное излучение от индуцированного?

2. Как происходит резонансное поглощение?

3. Что такое безызлучательный переход?

4. Дайте определение спектральной плотности энергии.

5. Каков физический смысл коэффициентов Эйнштейна?

6. В чем состоит физическая сущность равенства коэффициентов Эйнштейна В ₁₂ и В ₂₁?

7. Что такое система частиц с инверсной населенностью?

8. В каком случае показатель поглощения среды может быть отрицательным?

9. Какое условие необходимо для возникновения вынужденного излучения в веществе?

10. Что представляет собой система накачки лазера?

11. Почему одним из обязательных компонентов лазера является оптический резонатор?

12. Почему излучение лазера отличается острой направленностью?

Литература

1. Иродов, И.Е. Квантовая физика. Основные законы/И.Е.Иродов. – М.:Лаборатория базовых знаний, 2002.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц/ И.В. Савельев. – М:Астрель, АСТ, 2003.

3. Детлаф, А.А. курс физики/ А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. – М. Академия 2003.

4. Физическая энциклопедия: в 5т.Т. 1- 5 / гл.ред. А.М. Прохоров.- М.:Сов.энциклопедия, 1988-1998.

5. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т.5. Атомная и ядерная физика/ Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит., МФТИ, 2002.

6. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трафимова. – М:Высш.шк., 1999.

7. Борн, Н. Атомная физика / М.Борн.-М.:Мир 1970

8. И.А.Терлецкий, О.Т. Каменов. Физика. 4.4 Атомная физика. – Владивосток. Изд-во ДВГТУ, 2006. – 85с.

9. Кузнецов, С.И. Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика. Физика элементарных частиц: уч. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 154с.

10. Смирнов, С.В. Лекции по атомной и ядерной физики. Учебное пособие. 2002.

11. Матвеев, А.Н. Атомная физика. Уч. пособие для студентов вузов – М:Высш.шк, 1989. – 439с.

12. Ривлин, Л.А. Ядерный гамма-лазер: эволюция идеи. − “Квантовая электроника”, т. 37, № 8 (2007), с. 722- 744.

13. Бекман, И.Н. Ядерная физика. − Изд-во МГУ, 2010. − 511с.

См. Файл “Лазеры. К лекции 9

Литература

14. Иродов, И.Е. Квантовая физика. Основные законы/И.Е.Иродов. – М.:Лаборатория базовых знаний, 2002.

15. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц/ И.В. Савельев. – М:Астрель, АСТ, 2003.

16. Детлаф, А.А. курс физики/ А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. – М. Академия 2003.

17. Физическая энциклопедия: в 5т.Т. 1- 5 / гл.ред. А.М. Прохоров.- М.:Сов.энциклопедия, 1988-1998.

18. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т.5. Атомная и ядерная физика/ Д.В.Сивухин. – М.: Физмат лит., МФТИ, 2002.

19. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трафимова. – М:Высш.шк., 1999.

20. Борн, Н. Атомная физика / М.Борн.-М.:Мир 1970

21. И.А.Терлецкий, О.Т. Каменов. Физика. 4.4 Атомная физика. – Владивосток. Изд-во ДВГТУ, 2006. – 85с.

22. Кузнецов, С.И. Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика. Физика элементарных частиц: уч. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 154с.

23. Смирнов, С.В. Лекции по атомной и ядерной физики. Учебное пособие. 2002.

24. Матвеев, А.Н. Атомная физика. Уч. пособие для студентов вузов – М:Высш.шк, 1989. – 439с.

25. Ривлин, Л.А. Ядерный гамма-лазер: эволюция идеи. − “Квантовая электроника”, т. 37, № 8 (2007), с. 722- 744.

26. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Учеб. Пособие: Для вузов.

В 5 т. Т. 5. Атомная и ядерная физика. − 2-е изд., стереот. − М.: ФИЗМАТЛИТ;

Изд-во МФТИ, 2002.− 784 с.

14. Бекман, И.Н. Ядерная физика. − Изд-во МГУ, 2010. − 511с.

Дата добавления: 2014-11-06