Әдістемелік нұсқаулық

Энергетикалық деңгей бойымен атомдардың үйлестірілуі
Атомдар жүйесінің энергетикалық спектрден екі энергетикалық деңгейді
W
1
, W
2
таңдап аламыз. W
1
< W
2
Жүйедегі негізгі энергиясы бар атомдар
саның энергетикалық деңгейдің W қонысы N деп аталады. Осыдан W
1
және
W
2
энергия деңгейіне N
1
және N
2
қоныстары сәйкес келеді. Қоныстардың
атомдар жүйесінде теңдерілген жағдайда болатын энергетикалық деңгей
бойынша үйлестірілуі математикалық түрде Больцман функциясымен
беріледі, оның графигі 1-і суретте көрсетілген. 
Табиғатта барлық жүйелер потенциалды энергия минимуммен
сипатталатын орнықты тепе-теңдік жағдайға ұмтылатыны белгілі. Атомдар
жүйесі үшін бұл дегеніміз олардың көп бөлігі энергиясы аз жағдайда W
1
болады, 
N
1
/N
2
= e 
(-W2 - W1)/kt
= exp
(-W2 - W1)/kt
Т – абсолютты температура, Т>0 - әрқашан кез келген температурада, шама
exp
(-W2 - W1)/kt
>0, б.а. 
N
1
/N
2
<1 және N
2
1
Сондықтан жылумен қоздырылған кезде энергетикалық жоғары жағдайлар
кез келген төменгі жағдайдан аз қонысталған. 
Жүйемен энергияның жұтылуы атомдардың төменгі энергетикалық деңгейге
ауысуымен көрсетіледі (2 сур.) Атомның қоздырылған жағдайда орташа өмір
сүру уақыты 10
-8
с. 
Осы уақыт ішінде атом төменгі энергетикалық жағдайға аяқ астынан өтіп,
h

=W
2
-W
1
жарық кванттың шығарады. (3 сур). Осы ауысулар кезінде атом
басқа атомдармен келіспей, тәуелсіз сәуле шығарады, сондықтан
сәулелендірілген фотондардың тәуелсіз фазалармен поляризациялары болады
және берілген атомдар жүйесінің кез келген бағытта ұмтылып шығады. Осы
фотондарға сәйкес толқындар шашылған, когерентті емес, энергия
тығыздығы аз болады. Лазерден басқа барлық жарық көздерінің
Больцманның энергия бойынша атомдарды үйлестіретін сәулелендіру жүйесі
бар. Жасаңды жолымен атомдар жүйесін термикалық тепе-теңдіксіз жағдайға
қонысталу деңгейі анти-Больцмандық болатын келтіруге болады, б.а. N
2
>N
1
.
Мұндай тепе-теңдік жағдайға қонысталудың инверсиясы деп аталады.
Математикалық түрде бұл дегеніміз, exp
(-W2 - W1)/kt
>1. W
2
>W
1
болғанда ол тек
температураның теріс шамасында мүмкін. Сондықтан, кейбір деңгейлер
арасында қонысталу инверсиясы болған ортаны «теріс» температуралы орта
д.а. Нақты жүйеде Т<0 болу мүмкін емес. Бірақ та, кейбір жүйелерде сәуле
шығару ауысулары аз мүмкіндікпен беріледі немесе мүлдем тиім салынған
атомдардың қодзырылған жағдайы бар. Мұндай жағдайда атомда өмір сүру
уақыты 10
-3
с дейін жетеді атомдардың осы жағдайын метотұрақты деп
атайды. 
Бұл жағдайдан үгіттелген жағдайға ауысуы мүмкін, егерде
қоздырылған жағдайдағы W
2
атомның қасынан энергиясы 1 және 2
деңгейлерін энергиясымен резонансты болаттың фотон өтетін болса, W
2
-
W
1
=h

бұл фотон энергиясы W
2
болаттың қыздырылған атомды итереді де, ол

W
1
жағдайға түседі. Осы кезден ол ауысуға келтірілген фотонына толығымен
парапар фотон шығарады. Оның жиілігі, фазасы, поляризациясы бірдей
болады және сол бағытта ұмтылады. Бұл үрдіс 4-суретте диаграмма ретінде
көрсетілген, мұнда фотондар ирек сызықпен көрсетілген. 1 және 2
фотондарға сәйкес толқындар когерентті және бір-бірін күшейтіп бір бағытта
үйлестіріледі. Сәуле шығару энергиясын тығыздығы өте жоғары болады ,
өйткені шығару энергиясы өте кіші ауданға келеді.
Осы ауысулардан басқа қатты денелерде релаксационды ауысулар
болуы мүмкін. Ол сәуле шығарумен жетектелмейді, артық энергиясы
кристаллдық торға беріледі. Осы кезде түйіндердегі атомдардың тербелуін
күшейтеді, осының салдарынан бүкіл кристалл қыздырылады. 
Сәуле шығарудың затпен ара қатынасы. Лазерді алу шарты. 
Егер атомдар жүйесіне h

энергия фотоны түссе W
2
-W
1
=h

(W
2
> W
1
) ол кез
келген атомдар санының N
2
үгітілген ауысуын келтіреді. Ауысу мүмкіндігі
сәйкес энергетикалық деңгейін қонысталуына пропорциональды болады. Бұл
дегеніміз атомдарды энергия бойынша бір қалыпты үйлестіретін орта (N
1
>N
2
)
негізінен оған түсетін сәуле шығаруларды жұтады. Мұндай орта оптикалық
пәрменді емес деп аталады, оның жұтылу коэффициенті оң болады.
Қонысталу инверсиясы жүргізілгн ортада (N
1
2
) сәуле шығаруды
күшейтетін үгітілегн ауысулар мүмкіндігі көп болады. 
Қонысталу инверсиясы бар орта оптикалық пәрменді болып табылады, оның
жұтылу коэффициенті теріс. Оптикалық кванттық генератор-лазерді алу үшін
ортаның қонысталу инверсиясын келтіру керек екені анық. Таңдап алынған 2-
і деңгей арасындағы инверсияны алу үрдісі қатты денелі және газды ортада
лазерді алудың қажетті шарттарын 1-і болып табылады және толтыру деп
аталады. Қатты денелерде лазерлерде толтыру оптикалық былай анықталады
атомдар кристалдар электромагниттік толқындармен сәулелендіру әсерімен
қоздырылады. Газды лазерлерді толтыру атомдар газды разрядпен
қоздырылумен қамтамыс етіледі. Лазерді алудың 2-і қажет шарты болып
ортадағы метотұрақты жағдайдың болуымен табылады. Деңгейдің орташа
өмір сүру уақыты алдында айтылғандай, шамамен

~10
-8
с болады. Бұл
уақытта толтыруды жүргізу мүмкін емес, өйткені деңгей өздігінең бұзылып
өзегереді. Егер де лазерді алу үшін таңдап алынған екі деңгейдің жоғарғысы
метотұрақты болса, (

~10
-3
с) төменгісімен салыстырғанда оны инверсиялы
қоныстандырып үлгеруге болады. Және де жүйе тепе-теңдук қалыпқа
келгенше сонының оны күшейтетін үгітілген сәуле шығаруды шақыруға
болады, былай анқталады лазерлі әсерді аламыз. 
Күшйиу шарты мен үгітілегн сәуле шығару генерациясы лазерді алудың 3-і
қажетті шарты болып оптикалық резонатордың болуы табылады. 
Оптикалық резонатор дегеніміз көп қабатты диэлектрикалық беттері бар
параллель айналар жүйесі. Оптикалық резонатор кері оң байланысың және
жиілігі бойынша сәуле шығаруды таңдауды қамтамасыз етеді. Айналар
арасында қашықтық айнаға келетін және шығатын толқындар арасында

интерференция шарты орындалатындай етіп 2dn=k

алынады, бұл айна
арқылы шығатын электромагниттік толқынның күрт күшеюіне әкеледі. Атап
өтілген шарттар барлық лазерлер үшін жалпы болып табылады. Лазерлерді
ажыратады: 1) жұмыс ортасымен; 2) толтыру тәсілімен; 3) резонатор
құрылысымен; 4) жұмыс тәртібімен. 
Берілген зертханалық жұмыста газды гели-неонды лазерін сипаттамасы
зерттеледі және жұмыс принципі қарастырылады. Оның ерекшіліктері болып
өткір бағытталуы, жоғары монохроматтығы ауадағы когеренттігі және сәуле
шығару жиілігінің тұрақтылығы табылады. 
Не-Ne лазердің жұмыс принципі және қондырғысы
Лазердің қондырғысы 5-суретте көрсетілген. Лазердің негізгі құрылымы
болып ұзын кварцтық табылады. Оның ұштарры Брюстер

бұрышы
бойынша құбырдың оптикалық осіне қатысты кесілген. Ол сәуле шығарудың
поляризация бойынша таңдауын қаматамасыз етеді. 
Ұзын құбыр өзінің осі юойынша жылжитын фотондарды шығарады
үгітілген сәуле шығарудың әсерінен пайда болған және оське қарай кез
келген бұрышта ұшатын фотондар құбырдың қабырғаларымен жұтылады.
Сондықтан шығатын шоғыр өткір бағытталған, қимадағы энергия тығыздығы
жоғары және бұрыштық таралуы аз болып келеді.
1 және 6 жартылай мөлдір айналар, тегіс және сфералық. Сәулелендіру
теріс айна арқылы шығады, 2-гели қоспасымен (100 Па) толтырылған
кварцтық құбыр. Құбыр ұштарынан кварцтық жалпақ тіліктер Брюстер
бұрышымен жабыстырылған. 4,5,3 – генератормен 7 байланыстырылған
сыртқы электродтар. Оптикалық резонатор болып толқынның белгілі бір
ұзындығы үшін кері қайтару коэффициенті жоғары болатын көп қабатты
диэлектриктары бар тегіс және сфералық айналар табылады. 
Лазердің жұмыс ортасы болып 10:1 немесе 15:1 қатынасында алынған
гелий және неон газдарының қосындысы табылады. Сәулелендіретін зат
болып неон табылады. Жоғары жиілікте генератордың көмегімен құбырда
тұтылған газдың разряд орнатылады. 
Газдардың энергетикалық деңгейлерінің ықшамсыз басы 6-і суретте
көрсетілген. Разрядты пайда болған электрондар гелий мен неон атомдардың
соғылып оларды қоздырылған жағдайға ауыстырылады. Неонның 3s-2p
немесе 2s-2p деңгейлерінің арасында қонысталу инверсиясын тудыру үшін
бұл қоздыру механизмі жеткіліксіз. 
Қоныстандыру инверсиясын тудырудағы негізгі жұмысты гелий
атқарады. 2s және 2
3
s гелийдің жағдайлары метотұрақты, олардың сәуле
шығаратын ауысуларға тиым салынған. 
Гелий атомдары осы жағдайда өмір сүрген кезде қоздырылмаған неон
атомдар мен соғылып үлгереді. 2
+
s гелий және 3s ион (2
3
sHe, 2sNe) энергия
мәндері бойынша деңгейлері жақын болғандықтан, мұндай серпімсіз
соқтығысуда гелий атомдарынан неон атомдарына энергияның резонансты
ауысуы іске асады. Қоспадағы гелий атомдарының саны жеткілікті көп болса,

бұл механизм неонның 3s және 2p деңгейлерінің арасына орналасу
инверсиясы пайда болуына әсер етеді. Сонымен қатар 2p деңгейі толық
босатылу үшін түтікше диаметрі аз болу қажет. Бірақ өте аз диаметр неон
санын шектеп, генерация қуатын азайтады. 
Сур.6 (неон гелийдің энергетикалық деңгейлері гелийдің 2s, 2
3
s
метастабильді күйлері неонның 3s, 2s метастабильді күйлеріне энергия
мәндері бойынша жақын)
Газоразрядты түтікшенің оптимальді диаметрі 7 мм, ал газ қысымының
неонның –10 Па, гелийдің 100 Па. Осылайша, гелий және неонның
порциальды қысымдарын арнайы таңдау нәтижесінде газоразрядты
түтікшенің диаметрін дұрыс таңдаса неонның таңдап алынған деңгейлерінің
арасындағы тұрақты орналасу инверсиясы пайда болып, лазер тұрақты
жұмыс жасайды. Индукциялық сәулеленуді әкелетін фотондар ақауы ортада
3s 

2p спонтанды ауысулар арқылы пайда болады. Бұл фотондар әр түрлі
бағытта қозғалады, бірақ түтікше осі бойымен қозғалатындары оптикалық
резонатор айналарынан шағылады да ортаға қайтып келіп, ось бойындағы
генерацияны ыздырады, ал қалғандары түтікше қабырғаларымен жұтылады.
Көптеген күйлер арқылы (3s, 2s, 2p) газды гелий-неонды лазер спектрдің
көрінетін және инфрақызыл облыстарын да толқынның 30 ұзындықтарында
жұмыс істей алады. 
Айналардың көп қабатты диэлектрикалық беттері берілген толқын
ұзындығы үшін қажетті шағылу коэффициентін тудырып, қажетті жиілікте
генерацияны қоздыруға мүмкіндік береді. Сәулеленетін лазер толқын толқын
ұзындығы 6328 А (632,8 нм) көрінетін диапазонда жұмыс істейді. Жұмыста
қарастырылатын лазердің негізгі сипаттамалары: лазерлік сәулеленудің
бұрыштық ауытқуы лазердің шығу қуаты (жарық ағыны) – уақыт бірлігінде
шығатын энергия, уақыт бірлігінде лазер шығаратын фотондар саны, жарық
ағынының разрядты ток шамасынан тәуелділігі. Разряд тогы лазер жұмысынң
негізгі сипаттамасы болып табылады. Ол өскенде электрондар
концентрациясы артады, неонның 3s,2s энергетикалық деңгейлері екпінді
толтырылады, лазердің шығу қуаты өседі. Бірақ разрядтағы өте үлкен болса,
2p деңгейі де екпінді толтыру салдарынан орналасу инверсиясының азаюына
және сәулелену қуатының төмендеуіне әкеледі. 

жүктеу/скачать 115,99 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: