Білім беру бағдарламасы студенттеріне арналған дәрістер жинағы Шымкент 2021

Оптикалық сәулеленудің кванттық құрылымға әсерінің эффектісі

жүктеу/скачать 0,79 Mb. бет 38/41 Дата 14.05.2022 өлшемі 0,79 Mb. #143342 түрі Білім беру бағдарламасы

3.2. Оптикалық сәулеленудің кванттық құрылымға әсерінің эффектісі Больцман айтуы бойынша динамикалық тепе-теңдік күйде жоғарыэнергетикалық деңгейлерге қозған бөлшектердің «орналасуы» әлдеқайда төменэнергетикалық деңгейлерге – қозбаған бөлшектердікінен гөрі 26-суреттеБольцман статистикасына сай энергия деңгейлері E1...E5 бойынша бөлшектертаралуы көрсетілген; мұндағы Ni – энергетикалық Ei деңгейдегі бөлшектерсаны. Бір бөлшек үшін жоғарғы деңгейден (мысалы, E2-ден) төменгі E1 деңгейге(фотонды шығару) және төменгіден жоғарғы деңгейге (фотонды сіңіру) еріксізауысудың ықтималдығы тең. Сондықтан оптикалық сәулеленудің кванттықэнергетикалық құрылыммен әрекеттескенде (3.1 а-сурет) сәулелену сіңіруі(басымырақ) өтеді. Оптикалық толқын – бөлшектердің қозғаны қозбағанынанкөп болғанда, күшеюі мүмкін.Арнайы жағдайлар қатарында стандартсыз техникалық құралдарменқозған микробөлшектердің артықтық шоғырын қамтамасыздандырудыңқисыны келеді. Мұндағы жоғарғы энергетикалық деңгейдегі (E2) бөлшектерсаны (мысалы, N1) төменгі Е1 деңгей N1 қонысынан асады (3.1 б-сурет). Мұндайжағдайда фотондар сәулеленуі бар қозған микробөлшектердің еріксіз ауысуы(E2 деңгейінен E1 деңгейге) басымырақ, ал микробөлшектер қозуыменбайланысқан оптикалық сәулеленудің (E1 деңгейден E2 деңгейге ауысқандағы)жоғалуы мардымсыздау. Сонымен, кванттық құрылымдағы оптикалықсәулелену орналасулардың инверсиясымен әлсіремейді, күшейеді. 3.1-сурет. Больцман статистикасына сай энергия деңгейлері бойынша бөлшектер таралуы 3.2-сурет. Сыртқы қуатты тарту-сору жолымен үш (а) пен төрт (б) деңгейлік жүйедемикробөлшектердің қозуы және энергетикалық деңгейлердегі ауысуы Үш деңгейлік жүйеде (3.2 а-сурет) сыртқы қуатты (мысалы, оптикалық) тарту-сору жолымен микробөлшектер қозады және бастапқы негізгіэнергетикалық E1 деңгейден жоғарырақ E3 деңгейге ауысады. Мұндай тарту-сорудың энергиясы ν1,3=(E3-E1)/h жиіліктері төңірегінде тар спектралдықаралықта сіңіріледі. Әрі қарай қоған микробөлшектер өте тез (фотондардысәулелендірмей) төменірек энергетикалық E2 деңгейге өтеді және қажетинверсиялық орналасуды жасай отырып, жинақталады. Қозғанмикробөлшектердің бастапқы Е1 деңгейге қайта оралуы энергиясы hν1,2=E2-E1сыртқы оптикалық сәулелену әсерінен өтіп, энергиясы мен жиілігі сондайқосалқы фотондардың күшейтілген сәулеленуімен бірге жүреді. Төрт деңгейліклазерде (3.2 б-сурет) төменгі лазерлік деңгей E2 негізгі E1 деңгейденмикробөлшектерді қарқынды тарту-сору жолымен жоғары энергетикалық E4деңгейге ауысады, тез (фотондарды сәулелендірмей) E3 деңгейге ауысады жәнеЕ2 деңгейге лазерлік ауысу (фотондарды сәулелендіріп) жасайды. Қорытындысәулелендірусіз ауысу болатын қозған микробөлшектердің E2 деңгейінен негізгіE1 деңгейге қайта оралуы. Оптикалық сәулелнуді күшейтуге қабілетті E1 мен E2 энергетикалық деңгейлерінің қайсыбір жұбы орналасуының инверсиясы бар, жиілігі ν1,3=(E3-E1)/h кванттық жүйеге әсер ететін ортаны белсенді деп, атау қабылданған. Белсенді ортадағы қозған микробөлшектердің өз бетімен сәулеленуіеріксіз ауысуларды шақыруға қабілетті және басқа микробөлшектердіңқосымша оптикалық сәулеленуі сонан да күшейеді (3.3-сурет). Еріксіз(күшейтілген) сәулеленудің қосалқы фотондары микробөлшектердің жаңаеріксіз ауысуларын тездетіп фотондардың қуаттырақ пакеттерінқалыптастырады. Үрдіс өсуші қарқындылықпен (көшкін тәрізді) жүреді. 3.3-сурет. Белсенді ортада қозған бөлшектердің өз бетімен сәулеленуі Белсенді орта немесе бірнеше жоғарғы энергетикалық деңгейлердің«жайғасуын» қамтамасыздандыратын микробөлшектерді таңдамалықоздырумен (тартумен) жасайды. Қарапайым және тиімді болатын, қуатты импульстық газоразрядтық(ксенондық, криптондық, сынаптық) шамдар іске асыратын, оптикалық тартып-сорудың әдісі. Мұндай әдіс микробөлшектердің үлкен концентрациясы барлазерлік ортаны (қатты денені, сұйықты) қоздыру үшін табысты қолданылады. Белсенді орта газдардағы электрлік разряд жолымен тиімді қалыптасады.Энергетикалық деңгейлер орналасуының қажет инверсиясын жеткіліктісиретілген газдарда алу мүмкіндігі бар. Лазерлердің белсенді ортасы химиялық реакциялар нәтижесінде жасалуымүмкін, өйткені микробөлшектердің (молекулалардың) химиялықбайланыстарында энергия сыйымдылығы үлкен болады. Шалаөткізгіштік лазерлердегі энергетикалық деңгейлер орналасуынақажет инверсияға «таза» технологиялық жолмен жетуге болады. Электронды-тесіктік құрылым (p-n-ауысуы бар гомоқұрылым немесе гетероқұрылым)туындаған: шалаөткізгіштің n-облысы өткізуінің аймағында қозған электрондаршоғыры өте жоғары, валенттік аймақтағы р-облысы шалаөткізгішінің көптегенэлектрондық күйлері толтырылмаған және қозған электрондарды қабылдауға«дайын»; алайда бастапқы электрлік күйдегі туындаған р- мен n-облыстарындағы құрылымдар потенциалдық бөгетпен бөлінген.Шалаөткізгіштік лазер (лазерлік диод) тік бағытта ығысқан кезде қозғанэлектрондар құрылымының аралас р-облысына массалық ауысуы жәнефотондардың қарқынды сәулеленуін шақыратын, қозған микробөлшектердіңбелсенді қайта топтасуы пайда болады. Генерлеуді алу үшін белсенді орта, өзімен Фабри-Перо резонаторытұрпатындағы резонаторды көрсететін, резонаторға орналастырылады.Резонатор бір-біріне қаратылып және қатарлас орналасқан, екі айнадантұрады (3.4 а-сурет). Мұндай оптикалық жүйеде жарық шоғыры бірнеше мәртешағылу нәтижесінде айналар жазықтығына тік, өзара қатарлас когеренттіжарық ағындарын түзеді. Жарық шағылуының жоғарғы коэффициентін (85-98%) айналы қаптамасы бар шыны немесе кварц табақшалар қамтамасыз етеді. Фабри-Перо резонаторы лазерлердің оптикалық резонаторлары үшін базалыққұрылыс болады. Шынайы құрылысуда лазерлік сәулеленуді резонатор(жартылай мөлдір айна арқылы) шегінен әрі шығару қарастырылады. Фабри-Перо резонаторы базасында тұрғызылған лазердегі оптикалықтербелістердің пайда болуы мен қалыптасуы механизімін және лазердіңрезонаторындағы оң кері байланыстың әсерін 3.4-суреттен көруге болады. 3.4-сурет. Лазердегі оптикалық тербелістің пайда болуы, қалыптасу механизмі және лазердіңрезонаторындағы оң кері байланыстың әсері Белсенді орта оптикалық резонаторда екі қатарлас айна орналасады (3.4б-сурет). бірнеше мәрте күшейту үрдісінде жарық кванттары (фотондар) түрлібағыттарда тарай алады. Алайда қолайлырақ жағдайларға, жазық айналарға тік,оптикалық резонатордың көлденең осі бойымен қалыптасатын фотондаршоғыры енеді. Айналардың біріне жете отырып, мұндай шоғыр шағылады,белсенді ортада қосымша күшейеді, қайтадан басқа айнадан шағылады, тағыкүшейеді және резонатордың көлденең осі бойынша қатаң бағыттала қозғалудыжалғайды (3.4 в-сурет). Лазерлік тербелістердің қозуы, автоматты фокустелуі, жиіліктік спектрібылай жүреді. Резонатордың көлденең осі бойымен (жазық айналарға тік)тарайтын лазерлік сәулелену толқыны, кезектегі айнаға тік бұрышпен түсіп,көлденең остен ауыс кетпей шағылады; сондықтан мұндай толқынрезонатордың белсенді ортасында тиімдірек (дифракциялық жалғаусыз)күшейеді. Сонымен бірге, резонатордың көлденең осінен сәл ауытқыған кездеде, оптикалық толқын жазық айнадан үлкен дәрежеде шағылғанда осьтенауытқиды және бір немесе бірнеше өтуден кейін резонатор шектерінен тысқалады. Фабри-Перо резонаторының ашық екенін ескеру маңызды жәнефокустелмеген оптикалық толқын оның шегінен қандай болмасын шектеулерсізшығып кетеді. Сонымен, лазерлік сәулелену табиғи (тікелей автоматты) оптикалықрезонатордың көлденең осіне жақын шоғырланады. Фокустеу тиімділігі Lрезонатор ұзындығына тәуелді. Лазерлік сәулеленудің λ толқын ұзындығыменбұрыштық алшақтығы резонатордың әлдеқайда ұзындығы үшін L >>λ тіптенмардымсыз. Лазерлік сәулеленудің автофокустелуі жазық айналы Фабри-Перорезонаторында анық айқындалады. Лазерлік сәулеленудің тиімдірешоғырлануын, резонатордың көлденең осі бойымен тарайтын толқындарсәулеленуінің жалпы ағынында сақтап ғана қоймай, сондай-ақ және басқабағыттар толқындары шағылуында фокустейтін, ойыс айналарменқамтамасызданады. Осындай жолмен лазерлік сәулеленудің дифракциялықжоғалуы азаяды. Күрделі тербелістік жүйелерде (к өлемдік резонаторларда, созылмалытолқын жүргілерде) қозатын, тарайтын электромагниттік тербелістердіңнақтылы түрі мода деп аталады. Модаларды қалыптастыру тербелістік жүйеніңкеңістіктік конфигурациясына (түйіндік нүктелер, сызықтар, беттер) тәуелді. Лазерлік резонаторда оптикалық сәулелену бірнеше мәрте шағылады,қалыптасады, лазерлік (фокустелетін, бағытталатын, арналанатын) мода –нақты түрдегі электромагниттік (оптикалық) тербелістер түрінде резонатордыңкөлденең осі бойымен тарайды. Мұндай жарық толқыны көлденең, оныңтолқындық майданы жарқ бағытына тік, электромагниттік өріс резонатордыңтік қимасына ағынсыз су сияқты әсер етеді, оптикалық тербелістердің меншіктіжиілігі қатаң анықталған және тіркелген. Оптикалық резонаторлар, олардың радиожиіліктік және микротолқындықұқсастары сияқты кішірек кіру қуаты кезінде электромагниттік өрістің елеуліэнергиясын генерлейді (жинап әзірлейді). Бұл қасиетті сипаттайтын әмбебапкөрсеткіш резонатордың төзімділігі Q. Тербелістік жүйенің төзімділігірезонатор ішінде қор ретінде жиналған Wk, энергияның, тербелістердің бірпериодында T0=1/(2πν0) жоғалатын, резонастық жиілігі (модасы) ν0 және Wπ =PπT0 энергияға қатынасымен анықталады. Ұзындығы L оптикалық резонатордағы Wk энергиясының қосындысалыстырмалы β = αL жоғалулары, c/n (мұндағы n – резонатордың белсенді ортасының сыну коэффициенті) жарық жылдамдығымен резонатордыорағытып өту үрдісінде анықталады. Сонымен, төзімділік Q анықтамасы бойынша лазердің оптикалықрезонатор үшін қалыптасады, мына түрдеQ cжәне λ0 = c/(nν0)арақатынасы ескерілгенде, былай ықшамдаладыQ=2𝛑/α0λ0 Мысалы, α = 0,1 м-1, λ0 = 1 мкм нұсқасында оптикалық резонатортөзімділігі Q = 63 000 000, ал табиғи аралықта α = 0,01 - 0,3 м-1, λ0 = 0,5 - 3 мкм(7-1250) × 106-ді құрайды. Салыстыру үшін көрсететініміз сол, радиожиіліктіктербелістік LC – тұйықталған түйісудің құрайтын төзімділігі 30-100,камертондыкі – 10 000, кварцтық резонатордыкі – 100 000, жоғары жиіліктіктербелістердің көлемдік резонаторыныкы – 100-100 000. Негізгі әдебиет [4] (12-15); [6] (97-104) Қосымша әдебиет [1] (514-518) Бақылау сұрақтары: 1. Лазерлердің еріксіз сәулеленуінің когеренттігі. 2. Оптикалық сәулелену эффектісінің микробөлшектерінің табиғи энергетикалық таралуы бар кванттық құрылымға әсері. 3. Белсенді орта дегеніміз не? 4. Оптикалық резонатор. жүктеу/скачать 0,79 Mb. Достарыңызбен бөлісу: