Процесс излучения электромагнитной волны атомом может быть двух типов: спонтанным и вынужденным. При спонтанном излучении атом переходит с верхнего энергетического уровня на нижний самопроизвольно, без внешних воздействий на атом. Спонтанное излучение атома обусловлено только неустойчивостью его верхнего (возбужденного) состояния, вследствие которой атом рано или поздно освобождается от энергии возбуждения путем излучения фотона. Различные атомы излучают спонтанно, т.е. независимо друг от друга, и генерируют фотоны, которые распространяются в различных направлениях, имеют различные фазы и направления поляризации. Следовательно, спонтанное излучение является некогерентным. Излучение может возникать также и в том случае, если на возбужденный атом действует электромагнитная волна с частотой ν, удовлетворяющей соотношению hν=Em- En, где Em, и En -энергии квантовых состояний атома (частота ν при этом называется резонансной). Возникающее при этом излучение является вынужденным. В каждом акте вынужденного излучения участвуют два фотона. Один из них, распространяясь от внешнего источника (внешним источником для рассматриваемого атома может являться и соседний атом), воздействует на атом, в результате чего испускается фотон. Оба фотона имеют одинаковое направление распространения и поляризации, а также одинаковые частоты и фазы. То есть вынужденное излучение всегда когерентно с вынуждающим. Атомы не только испускают, но и поглощают фотоны с резонансными частотами. При поглощении фотона атомы возбуждаются. Поглощение фотона всегда является вынужденным процессом, происходящим под действием внешней электромагнит-ной волны. В каждом акте поглощается один фотон, а участвующий в этом процессе атом переходит в состояние с большей. Ширина спектральных линий, интервал частот v (или длин волн l = c/n, с — скорость света), характеризующий спектральные линии в спектрах оптических атомов, молекул и др. квантовых систем. Спонтанные (самопроизвольные) переходы с более высоких на более низкие уровни и происходящие под действием излучения (вынужденные) переходы с более низких на более высокие уровни. Переходы первого вида приводят к спонтанному испусканию атомами фотонов, переходы второго вида обусловливают поглощение излучения веществом. В 1918 г. Эйнштейн обратил внимание на то, что двух указанных видов излучения недостаточно для объяснения существования состояний равновесия между излучением и веществом. Действительно, вероятность спонтанных переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и, следовательно, не может зависеть от интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность «поглощательных» переходов зависит как от свойств атомов, так и от интенсивности падающего излучения. Для возможности установления равновесия при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование «испускательных» переходов, вероятность которых возрастала бы с увеличением интенсивности излучения, т. е. «испускательных» переходов, вызываемых излучением. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным или индуцированным. Исходя из термодинамических соображений, Эйнштейн доказал, что вероятность вынужденных переходов, сопровождающихся излучением, должна быть равна вероятности вынужденных переходов, сопровождающихся поглощением света. Таким образом, вынужденные переходы могут с равной вероятностью происходить как в одном, так и в другом направлении. Вынужденное излучение обладает весьма важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения вынуждающего излучения, т. е. внешнего излучения, вызвавшего переход. То же самое относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и вынуждающего излучений. Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучения оказываются строго когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

Мутации (от латинского mutatio – перемена) – это изменение генов и хромосом, проявляющееся в изменении свойств и признаков организмов. Описал их в 1901 году голландский учёный Де Фриз. Он же заложил основы и теории мутаций. Процесс образования мутаций во времени и пространстве называется мутагенез . Вещества, вызывающие мутации в клетках — мутагены.

В зависимости от происхождения различают спонтанные и индуцированные мутации.

Генеративные и соматические мутации.

Мутации могут возникать на всех стадиях развития организма и поражать гены и хромосомы как в половых клетках, так и в соматических. Поэтому по типу клеток различают генеративные и соматические мутации . Генеративные мутации происходят в половых клетках и в этом случае передаются следующим поколениям. Соматические мутации происходят в любых других соматических клетках организма; они провоцируют рак, нарушают иммунную систему, уменьшают продолжительность жизни. Соматические мутации не передаются по наследству. Большая часть канцерогенных веществ вызывает мутации в соматических клетках.

Спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные мутации (самопроизвольное изменение в совокупности генов организма данного вида) – те мутации, которые возникают у организмов в нормальных природных условиях без видимых причин; они возникают как ошибки при воспроизведении генетического материала, поскольку редупликация не происходит с абсолютной точностью. Длительное время считалось, что спонтанные мутации являются беспричинными. Сейчас же пришли к выводу, что они являются результатом естественных процессов, протекающих в клетках. Они возникают в условиях природного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности Земли, радионуклидов в клетках организмов. Спонтанная мутация может возникнуть в любой период индивидуального развития и поразить любую хромосому или ген. Частота встречаемости спонтанных мутаций, например, 1:100000.

Индуцированные мутации возникают в результате действия мутагенов, нарушающих процессы, происходящие в клетке.

Если сравнить частоту спонтанных и индуцированных мутаций клеток организмов при обработке мутагеном и без него, то очевидно, что если частота мутаций повышается в 100 раз в результате воздействия мутагена, то одна мутация будет спонтанная, остальные индуцированные.

Факторы мутагенеза.

В зависимости от локализации в клетке различают генные и хромосомные мутации . Генные, или точечные, мутации заключаются в изменении индивидуальных генов (выпадение, вставка или замена одной пары нуклеотидов. Хромосомные мутации бывают нескольких видов и затрагивают:

изменение структуры хромосом (крупные перестройки в отдельных фрагментах ДНК):

Делеции (выпадение числа нуклеотидов);

Дупликации (повторение фрагментов ДНК, в результате чего происходит её удлинение);

Инверсии (поворот участка хромосом на 180 0);

Транслокации (перенос участка хромосомы в новое положение в той или уже другой хромосоме).

Мутации, поражающие структуру хромосом, называют хромосомными перестройками , или аберрациями.

изменение количества хромосом:

Полиплоидия (увеличение кратного набора хромосом);

Гаплоидия (уменьшение всего набора хромосом);

Анеуплоидия (нарушение нормального количества хромосом из-за добавления или удаления одной или более хромосом).

Мутации, затрагивающие изменение числа хромосом в клетках организма, называются геномными . Геном – совокупность генов организма данного вида.

Мутационные процессы происходят не только у человека, но и у животных и растений. Поэтому мы рассматриваем общие закономерности. Хромосомные аберрации встречаются у растений, животных и человека. Ведут к нарушению здоровья. Полиплоидия встречается чаще у растений, у животных и человека – редка (число хромосом может увеличиваться в 3, 4, 5 раз). Гаплоидия встречается также в основном у растений (около 800 видов растений имеют гаплоиды), у животных — очень редка, у человека неизвестна. Анеуплоидия часто встречается у растений, у животных и у человека. Делеции – наиболее частые и опасные формы повреждения хромосом для человека. Некоторые дупликации вредны и даже летальны. Повтор сегмента хромосомы может быть малым, касаясь одиночного гена, или большим, затрагивая большое количество генов. Могут быть и безвредные дупликации. Транслокации происходят в результате разрыва хромосом. Могут иметь размеры от небольших до значительных.

Мутации могут оказаться незамеченными, если они затронули второстепенные участки наследственных структур, но могут приводить к серьёзным расстройствам, вплоть до гибели организма.

Возникшие повреждения в ДНК не обязательно реализуются в мутации. Они могут бесследно исчезнуть, благодаря существующей в клетке эффективной системе восстановления генетических повреждений (репарации). Проявление мутантного гена может быть подавлено действием другого гена. В этом случае мутантный ген может передаваться из поколения в поколение и проявиться только в случае, когда в зародышевой клетке встретятся два идентичных мутантных гена. Некоторые мутации проявляются только в определённых условиях существования. Например, при определённой температуре культивирования мутантных микроорганизмов.

Низшему энергетическому уровню атома соответствует орбита наименьшего радиуса. В обычном состоянии электрон находится на этой орбите. При сообщении порции энергии электрон переходит на другой энергетический уровень, т.е. "перескакивает" на одну из внешних орбит. В таком, так называемом возбужденном состоянии атом неустойчив. Через некоторое время электрон переходит на более низкий уровень, т.е. на орбиту меньшего радиуса. Переход электрона с дальней орбиты на ближнюю сопровождается испусканием светового кванта. Свет - это поток испускаемых атомами особых частиц - фотонов, или квантов электромагнитного излучения. Их следует представлять себе в виде отрезков волны, а не как частицы вещества. Каждый фотон несёт строго определённую порцию энергии, “выброшенную” атомом.

В основном состоянии атомы находятся на 1 энергетическом уровне с наименьшей энергией. Чтобы перевести атом на уровень 2, ему надо сообщить энергию hν=∆E=E2-E1. Или говорят, необходимо, чтобы атом провзаимодействовал с одним квантом энергии. Обратный переход 2 электронов может происходить самопроизвольно, только в одном направлении. Наряду с этими переходами возможны и вынужденные переходы под влиянием внешнего излучения. Переход 1à2 всегда вынужденный. Атом, оказавшийся в состоянии 2, живёт в нем в течении 10(с.-8)с, после чего атом спантанно возвращается в исходное состояние. Наряду со спонтанным переходом 2à1 возможен вынужденный переход, при этом излучается квант энергии, который вызвал этот переход. Это дополнительное излучение называется вынужденным или индуцированным. Т.о. под влиянием внешнего излучения возможны 2 перехода: вынужденное излучение и вынужденное поглощение, причем оба процесса равновероятны. Дополнительный квант, испускаемый при вынужденном излучении, приводит к усилению света. Индуцированное излучение обладает свойствами: 1) нагревание индуцированного кванта совпадает с напряжением индуцирующего кванта, 2) фаза, поляризация, частота индуцирующего излучения совпадает с фазой, поляризацией и частотой индуцирующего излучения, т.е. индуцированное и индуцирующее излучение высококогерентны, 3) при каждом индуцированном переходе происходит выигрыш в 1 квант энергии, т.е. усиление света. j

БИЛЕТ 8

Субъективные характеристики восприятия звука, их связь с объективными характеристиками звука.

Субъективные характеристики звука

В сознании человека под действием нервных импульсов, поступающих от звуковоспринимающего органа, формируются слуховые ощущения, кото­рые субъект может охарактеризовать определенным образом.

Существуют три субъективные характеристики звук, основанные на ощущениях, которые данный звук вызывает у субъекта: высота звука, тембр звука и громкость звука.

Понятием высота субъект оценивает звуки разных частот: чем больше частота звука, тем более высоким называется данный звук. Однако между частотой звука и его высотой нет однозначного соответствия. На восприятие высоты звука влияет его интенсивность. Из двух звуков одинаковой частоты звук большей интенсивности воспринимается как более низкий.

Тембром звука называется качественная характеристика звука (своеобразная "окраска" звука) связанная с его спектральным составом. Голоса разных людей различаются между собой. Это различие определяется разным спектральным составом звуков, воспроизводимых разными людьми. Существуют специальные названия для голосов разного тембра: бас, тенор, сопрано и др.. По этой же причине люди различает одинаковые ноты, воспроизведенные на разных музыкальных инструментах: у разных инструментов разный спектральный состав звуков.

Громкость - это субъективная характеристика звука, определяющая уровень слухового ощущения: чем выше уровень слухового ощущения возникающий у субъекта, тем более громким называет субъект данный звук.

Величина слухового ощущения (громкость) зависит от интенсивности звука и- чувствительности слухового аппарата субъекта. Чем выше интенсивность звука, тем выше величина слухового ощущения (громкость) при прочих равных условиях.

Слуховой аппарат человека способен воспринимать звуки, интенсив­ность которых меняется в весьма широких пределах. Для появления слухового ощущения интенсивность звука должна превышать некоторое определенное значение / 0 Минимальное значение интенсивности звука / 0 , воспринимаемое слуховым аппаратом субъекта, называется пороговой интенсивностью, или порогом слышимости. У разных людей величина порога слышимости имеет разное значение и меняется при изменении частоты звука. В среднем для людей с нормальным слухом на частотах 1-3 кГц и порог слышимости Iо принимается равным 10" 12 Вт/м".

С другой стороны, При превышении интенсивности звука некоторого предела в органе слуха вместо слухового ощущения возникает ощущение боли.

Максимальное значение интенсивности звука I Maxi еще воспринимаемого субъектом как звуковое ощущение, называется порогом болевого ощущения. Величина порога боле­вого ощущения примерно равна 10 Вт/м". Порог слышимости 1 0 и порог болевого ощущения 1 мах определяют интервал интенсивностей звуков, создающих у субъекта слуховое ощущение.

Блок-схема электронного диагностического прибора. Термодатчик, устройство и принцип действия. Чувствительность термодатчика.

Спектроскоп. Оптическая схема и принцип действия спектроскопа.

БИЛЕТ 9

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звуков, единицы измерения громкости.

Чувствительность слухового аппарата человека, в свою очередь, сама зависит от интенсивности звука и его частоты. Зависимость чувствительности от интенсивности является общим свойством всех органов чувств и называется адаптацией. Чувствительность органов чувств к внешнему раздражителю автоматически уменьшается с повышением интенсивности раздражителя. Количественно взаимосвязь чувствительности органа и интенсивности раздражителя выражается эмпирическим законом Вебера-Фехнера: при сравнении двух раздражителей прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей раздражителей.

Математически эта взаимосвязь выражается соотношением

∆E = E 2 -E 1 , = k*lgI 2 /I 1

где I 2 иI 1 - интенсивности раздражителей,

E 2 иE 1 - соответствующие им силы ощущений,

к - коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения интенсивностей и сил ощущений.

В соответствии с законом Вебера-Фехнера при увеличении интенсивности звука увеличивается и величина слухового ощущения (громкость); однако за счет уменьшения чувствительности величина слухового ощущения воз­растает в меньшей степени, чем интенсивность звука. Величина слухового ощущения нарастает при увеличении интенсивности звука пропорционально логарифму интенсивности.

Используя закон Вебера-Фехнера и понятие пороговой интенсивности, можно ввести количественную оценку громкости. Положим в формуле (4) интенсивность первого раздражителя (звука) равной пороговой (I 1 =I 0), тогда E 1 будет равно нулю. Опуская индекс "2", получим E = k*lgI/I 0

Величина слухового ощущения (громкость) Е пропорциональна лога­рифму отношения интенсивности звука, создавшего эту величину ощущения, к пороговой интенсивности I 0. Полагая коэффициент пропорциональности к равным единице, получим величину слухового ощущения Е в единицах, называемых "бел".

Таким образом величина слухового ощущения (громкость) определяется по формуле

E = lgI/I 0 [Б].

Наряду с белами используется единица в 10 раз меньшая, получившая название "децибел". Громкость звука в децибелах определяется по формуле

E = 10lgI/I 0 [ДБ].

Блок-схема электронного диагностического прибора. Назначение и основные характеристики усилителя. Виды искажений. Коэффициент усиления усилителя, его зависимость от параметров схемы.

Коэффициент пропускания и оптическая плотность растворов, их зависимость от концентрации.

Спонтанное излучение.

Рассмотрим в некоторой среде два энергетических уровня 1 и2 с энергиями и ( < ).Предположим, что атом или молекула вещества находится первоначально в состоянии соответствующая уровню 2 .Поскольку < атом будет стремится перейти на уровень 1.Следовательно, из атома должна соответствующая разность энергий - .Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называется спонтанным излучением. При этом частота излучаемой волны опред-ся формулой (полученной Планком):

Т.о. спонтанное излучение хар-ся испусканием фотона с энергией - при переходе атома с уровня 2 на 1.(рис.)

Вероятность спонтанного излучения можно опред-ть следующим образом. Предположим,что в момент времени t на уровне 2 находится атомов в единице обьёма. Скорость перехода ( /dt)спонт. Этих атомов в следствии спонтанного излучения на низший уровень,очевидно, пропорционально .Следовательно можно написать:

( /dt)спонт. =A (2)

Множитель А представляет собой вероятность спонтанного излучения и называется коэфиц. Энштейна А.Величину =1\А называют спонтанным временем жизни. Численное значение А () зависит от конкретного перехода, участвующего в излучении.

Вынужденное излучение.

Предположим, что атом нах. на уровни 2 и на вещество падает электромагнитная волна с частотой опред-й выражением (1) - \h (т.е. с частотой равной частоте спонтанно испущенной волны).Поскольку частоты падающей волны и излучения, связанное с атомным переходом, равны друг другу, имеется конечная вероятность того, что падающая волна вызовет переход с 2→1.При этом разность энергий - выделится в виде элект-й волны, которая добавится к падающей.Это и есть явление вынужденного перехода.

Между процессами спонтанного и вынужденного излучения есть существенное отличие. В случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну,фаза которой не имеет опред-й связи с фазой волны, излучаемым другим атомом. Более того испущенная волна может иметь любое направление распространения. В случае же вынужденного излучения,поскольку процесс инициируется подающей волной, излучение любого атома добавляется к этой волне в той же фазе. Падающая волна определяет также направление распространения испущенной волны. Процесс вынужденного излучения можно описать с помощью уравнения:

( /dt)вын.= (3)

Где ( /dt)вын.- скорость перехода 2→1 за счёт вынужденного излучения,а .Как и коэ-т А определяемый выражением (2), имеет также размерность (время)^-1.Однако в отличии от А зависит не только от конкретного перехода, но и от интенсивности падающей электромагнитной волны.Точнее,для плоской волны, можно написать:

где F-плотность потока фотонов в падающей волне, -величина имеющая размерность площади (сечение вынужденного излучения) и зависящая от хар-к данного перехода.

4.Поглощение.Коэффициенты поглощения.

Предположим что атом первоначально находится на уровне 1. Если это основной уровень, то атом будет оставаться на нем до тех пор, пока на него не подействует какое-либо внешнее возмущение. Пусть на вещество попадет элетромагнитная волна с частотой , определяемой выражением: 2 - E 1 )/ h .

В таком случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет на верхний уровень 2. Разность энергий E 2 - E 1 ,необходимаяя для того, чтобы атом совершил переход, берется из энергии падающей электромагнитной волны. В этом заключается процес поглащения. По аналогии с (dN 2 / dt ) вых = - W 21 N 2 вероятность поглощения W 12 определяется уравнением: dN 1 / dt = - W 12 N 1 , где N 1 – число атомов в еденице объема, которые в данный момент времени находятся на уровне 1. Кроме того, так же, как и в выражении W 21 = 21 F , можно написать: W 12 = 12 F . Здесь 12 некоторая площадь(сечение поглощения), которая зависит только от конкретного перехода. Предположим теперь, что каждому атому можно поставить в соответствие эффективное сечение поглощения фотонов а в том смысле, что если фотон попадает в это сечение, то он будет поглощен атомом. Если площадь поперечного сечения электромагнитной волны в среде обозначить черех S , то число освещенных волной атомов среды в слое толщиной dz равно N 1 Sdz и тогда полное сечение поглощения будет равно а N 1 Sdz . Следовательно, относительное изменение числа фотонов ( dF / F ) в слое толщиной dz среды равно: dF / F = - а N 1 Sdz / S . Видно, что = а , поэтому величине можно придать смысл эффективнорго сечения поглощения. Взаимодействие излучнеия с веществом можно описывать по-другому, определив коэфициент с помощью выражения: = ( N 1 – N 2 ). Если N 1 > N 2 , то величина называется коэфициентом поглощения. Коэфициент поглощения можно найти как: (2 2 /3 n 0 c 0 h )( N 1 – N 2 ) 2 g t ( ) . Поскольку зависит от населенностей двух уровней, это не самый подходящий параметр для описания взаимодействия в тех случаях, екогда населенности уровней изменяются как например в лазере. Однако достоинством данного параметра является то, что он может быть непосредственно измерен. Действительно, dF = - Fdz . Поэтому, отношение плотности потока фотонов, прошедшего в среду на глубину l , к плотности падающего потока фотонов равно F ( l )/ F (0)= exp (- l ) . Экспериментальные измерения этого отношения при использовании достаточно монохроматического излучения дают значение для этой конкретной длины волны падающего света. Соответствующее сечение перехода получается из выражения = ( N 1 – N 2 ) , если известны неселенности N 1 и N 2 . Прибор для измерения коэфициента поглощения называется абсорбционным спектрофотометром.

Зако́н Бугера - Ламберта - Бера - физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

где I0 - интенсивность входящего пучка, l - толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ - коэффициент поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения κ, который связан с kλ формулой kλ = 4πκ / λ, где λ - длина волны).

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

§ 6 Поглощение.

Спонтанное и вынужденное излучение

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах находятся на самом низком невозбужденном уровне Е 1 , т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии, остальные уровни Е 2 , Е 3 ....Е n , соответствующие возбужденным состояниям, обладают минимальной заселенностью электронами или вообще свободны. Если атом находится в основном состоянии с Е 1 , то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с Е 2 . Вероятность таких переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторое время спонтанно самопроизвольно (без внешних воздействий) перейти в состояние с низшей энергией, отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, т.е. испуская фотон.

Процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно .

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей h n = Е 2 - Е 1 , то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона с той же энергией h n = Е 2 - Е 1 . При подобном переходе происходит излучение атомом дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Излучение, происходящее в результате внешнего облучения называется вынужденным . Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Вторичные фотоны неотличимы от первичных.

Эйнштейн и Дирак доказали тождественность вынужденного излучения вынуждающему излучению: они имеют одинаковую фазу, частоту, поляризацию и направление распространения. Þ Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и, встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением будет происходить поглощение. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число фотонов в вынужденных излучениях (которое пропорционально заселенности возбужденных состояний) превышало число поглощенных фотонов. В системе атомы находятся в термодинамическом равновесии, поглощение будет преобладать над вынужденным излучением, т.е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение необходимо создать неравновесное состояние системы , при котором число атомов в возбужденном состоянии больше, чем в основном. Такие состояния называются состояниями с инверсией заселенностей . Процесс создания неравновесного состояния вещества называется накачкой . Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами.

В средах с инверсной заселенностью вынужденное излучение может превысить поглощение, т.е. падающее излучение при прохождении через среду будет усиливаться (эти среды называются активными). Для этих сред в законе Бугера I = I 0 e - a x , коэффициент поглощения a - отрицателен.

§ 7. Лазеры - оптические квантовые генераторы

В начале 60-х годов был создан квантовый генератор оптического диапазона - лазер “ Light Amplification by Stimulated emission of Radiation ” - усиления света путем индуцированного испускания излучения. Свойства лазерного излучения: высокая монохроматичность (предельно высокая световая частота), острая пространственная направленность, огромная спектральная яркость.

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона в атоме не произвольна: она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд значений Е 1 , Е 2 , Е 3 ... Е n , называемых уровнями энергии. Значения эти различны для разных атомов. Набор дозволенных значений энергии носит название энергетического спектра атома. В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах пребывает на самом низком возбужденном уровне Е 1 , т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии; остальные уровни Е 2 , Е 3 .....Е n соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными.

При переходе электрона с одного уровня энергии на другой атом может испускать или поглощать электромагнитные волны, частота которых n m n = (Е m - Е n ) h ,

где h - постоянная Планка (h = 6.62 · 10 -34 Дж·с);

Е n - конечный, Е m - начальный уровень.

Возбужденный атом может отдать свою некоторую избыточную энергию, полученную от внешнего источника или приобретенную им в результате теплового движения электронов, двумя различными способами.

Всякое возбужденное состояние атома неустойчиво, и всегда существует вероятность его самопроизвольного перехода в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Он носит нерегулярный, хаотический характер. Все обычные источники дают свет в результате спонтанного испускания.

Таков первый механизм испускания (электромагнитного излучения). В рассмотренной двухуровневой схеме испускания света никакого усиления излучения добиться не удастся. Поглощенная энергия h n выделяется в виде кванта с той же энергией h n и можно говорить о термодинамическом равновесии : процессы возбуждения атомов в газе всегда уравновешены обратными процессами испукания.

§2 Трехуровневая схема

В атомах вещества при термодинамическом равновесии на каждом последующем возбужденном уровне находится меньше электронов, чем на предыдущем. Если подействовать на систему возбуждающим излучением с частотой, попадающей в резонанс с переходом между уровнями 1 и 3 (схематично 1 → 3), то атомы будут поглощать это излучение и переходить с уровня 1 на уровень 3. Если интенсивность излучения достаточно велика, то число атомов, перешедших на уровень 3, может быть весьма значительным и мы, нарушив равновесное распределение населенностей уровней, увеличим населенность уровня 3 и уменьшим, следовательно, населенность уровня 1.

С верхнего третьего уровня возможны переходы 3 → 1 и 3 → 2. Оказалось, что переход 3 → 1 приводит к испусканию энергии Е 3 -Е 1 = h n 3-1 , а переход 3 → 2 не является излучательным: он ведет к заселению ”сверху” промежуточного уровня 2 (часть энергии электронов при этом переходе отдается веществу, нагревая его). Этот второй уровень называется метастабильным , и на нем в итоге окажется атомов больше, чем на первом. Поскольку атомы на уровень 2 поступают с основного уровня 1 через верхнее состояние 3, а обратно на основной уровень возвращаются с “большим запаздыванием”, то уровень 1 “обедняется”.

В результате и возникает инверсия, т.е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемым излучением накачки и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде.

Как во всяком генераторе, в лазере для получения режима генерации необходима обратная связь . В лазере обратная связь реализуется с помощью зеркал. Усиливающая (активная) среда помещается между двумя зеркалами - плоскими или чаще вогнутыми. Одно зеркало делается сплошным, другое частично прозрачным.

“Затравкой” для процесса генерации служит спонтанное испускание фотона. В результате движения этого фотона в среде он порождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Дойдя до полупрозрачного зеркала, лавина частично отразится, а частично пройдет сквозь зеркало наружу. После отражения от правого зеркала волна идет обратно, продолжая усиливаться. Пройдя расстояние l , она достигает левого зеркала, отражается и снова устремляется к правому зеркалу.

Такие условия создаются только для осевых волн. Кванты других направлений не способны забрать заметную часть запасенной в активной среде энергии.

Выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.

В лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси (газовые лазеры ), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов (твердотельные лазеры ), полупроводники (полупроводниковые лазеры ).

Способы возбуждения (в системе накачки) зависят от типа активной среды. Это либо способ передачи энергии возбуждения в результате столкновения частиц в плазме газового разряда (газовые лазеры), либо передача энергии облучением активных центров некогерентным светом от специальных источников (оптическая накачка в твердотельных лазерах), либо инжекция неравновесных носителей через р- n - переход, либо возбуждение электронным пучком, либо оптическая накачка(полупроводниковые лазеры).

В настоящее время создано чрезвычайно много различных лазеров, дающих излучение в широком диапазоне длин волн (200 ¸ 2·10 4 нм). Лазеры работают с очень короткой длительностью светового импульса t » 1·10 -12 с, могут давать и непрерывное излучение. Плотность потока энергии лазерного излучения составляет величину порядка 10 10 Вт/см 2 (интенсивность Солнца составляет всего 7·10 3 Вт/см 2).