Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
2
V. Nhà chế tạo
Điều gì xảy ra trong tia laser helium-neon?
Laser helium-neon đang trở thành một thiết bị truyền sóng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ và khoa học. Những tia laser như vậy đã xuất hiện ở nhiều trường học và với sự trợ giúp của chúng, các tính chất của ánh sáng kết hợp đã được nghiên cứu.
Trung tâm của mỗi tia laser là cái gọi là môi trường hoạt động của riêng nó, có tác dụng hấp thụ chùm ánh sáng đi qua nó. Trong laser helium-neon, môi trường như vậy là plasma, được hình thành khi một dòng điện đi qua hỗn hợp helium và neon trong ống xả khí.
Laser hay master là gì, chúng phát sinh trên cơ sở nào?
L. Martynov
Thông thường, khi truyền qua môi trường, chùm ánh sáng bị suy giảm - một phần năng lượng của chùm tia được môi trường hấp thụ. Tuy nhiên, có thể tạo ra một môi trường trong đó khi ánh sáng đi qua ai đó, nó sẽ không bị suy yếu mà sẽ bị nén lại. Khả năng tạo ra một môi trường như vậy lần đầu tiên được đề cập vào năm 1939. Tất nhiên, trong quá trình thành công của ánh sáng, định luật bảo toàn năng lượng không bị vi phạm. Chùm sáng lấy thêm năng lượng từ nội năng của các nguyên tử trong môi trường.
Einstein phân tích sự tương tác của ánh sáng với nguyên tử
Chuyển tiếp, chuyển tiếp…
TỪ bài hát
Để hiểu môi trường khai thác ánh sáng “hoạt động” như thế nào, chúng ta cần xem xét chi tiết hơn sự tương tác của ánh sáng với các nguyên tử. Lần đầu tiên việc xem xét như vậy được thực hiện bởi lý thuyết về họ hàng của Albert Einstein. Thật ngạc nhiên là có bao nhiêu kết quả cơ bản trong các lĩnh vực vật lý hiện đại khác nhau đều gắn liền với tên tuổi của Einstein!
Năm 1916, Einstein, khi phát triển ý tưởng của Max Planck về bản chất lượng tử của sự tương tác giữa ánh sáng với nguyên tử, lần đầu tiên đã trình bày rõ ràng sự tồn tại của ba quá trình quang học cơ bản trong đó nguyên tử tham gia.
Như đã biết, theo khái niệm lượng tử, nội năng của nguyên tử chỉ có thể thay đổi theo bước nhảy. Một nguyên tử, như chúng ta nói, có thể ở trạng thái Đứng yên ở một trong các mức năng lượng (Hình 1), tương ứng với một làn sóng dự trữ năng lượng bên trong nhất định. Sự chuyển đổi quang học của một nguyên tử từ cấp độ này sang cấp độ khác đi kèm với sự phát xạ hoặc hấp thụ photon của nguyên tử. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì sự đẳng thức phải được thực hiện
(1)
trong đó là năng lượng photon ( là hằng số Planck, là tần số ánh sáng), và là năng lượng của các trạng thái dừng của nguyên tử, giữa đó diễn ra quá trình chuyển đổi. Rõ ràng là để chuyển từ mức năng lượng này lên mức năng lượng cao hơn, nguyên tử phải hấp thụ các photon. Năng lượng của các photon bị hấp thụ sẽ làm tăng nội năng của nguyên tử. Ngược lại, trong quá trình chuyển sang mức thấp hơn, nguyên tử phải hấp thụ các photon mang đi phần năng lượng bên trong dư thừa của nguyên tử.
Einstein đã chỉ ra rằng có một loại quá trình hấp thụ photon và hai loại quá trình phát xạ photon (Hình 2). Trong quá trình hấp thụ, nguyên tử có thể nuốt chửng photon tiếp cận nó và chuyển lên mức năng lượng cao hơn (Hình 2, a). Quá trình phát xạ photon của nguyên tử có thể xảy ra một cách tự phát - tự phát, không có bất kỳ tác động nào từ bên ngoài (Hình 2, b). Tất nhiên, để xảy ra sự phát xạ tự phát của một photon, nguyên tử trước tiên phải được kích thích. Sự phát xạ tự phát không thành công do trạng thái kích thích của nguyên tử không ổn định. Tuổi thọ của các nguyên tử bị kích thích bị cô lập là khác nhau ở các trạng thái khác nhau. (Đối với tuổi thọ ngắn hơn của các nguyên tử bị kích thích, chúng tôi hài lòng - vào khoảng s.)
Điều quan trọng nhất đối với laser là việc Einstein phát hiện ra sự tồn tại của loại quá trình thứ hai bằng cách sử dụng
giải phóng các photon - cái gọi là sự phát xạ cưỡng bức hoặc kích thích. (Chúng tôi đã cố tình đi chệch một chút so với hệ thống các quá trình quang học do chính Einstein đưa ra. Ông gọi là sự hấp thụ âm phát xạ kích thích, do đó kết hợp quá trình này với quá trình hấp thụ. Dưới đây chúng ta sẽ thấy rằng có những lý do cho điều này, nhưng trong văn học hiện đại, thuật ngữ mà chúng ta sử dụng đã được thiết lập.)
Sự phát xạ kích thích xảy ra khi một photona va chạm với một nguyên tử bị kích thích. Như Einstein đã chỉ ra, sự chuyển đổi bắt buộc của một nguyên tử từ mức sang mức thấp hơn chỉ có thể kích thích một photon có năng lượng thỏa mãn đẳng thức (1). Photon giống như một nguyên tử bị kích thích vốn đã không ổn định và nó “rơi” xuống mức năng lượng thấp hơn, phát ra một photon mới (Hình 2, b). Trong trường hợp này, photon, bị kích thích bởi sự chuyển đổi, không làm thay đổi năng lượng và hướng bay của nó. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là photon mới được tách ra
4
Giai điệu là “Song sinh” của PHOTON ĐÃ KÍCH THÍCH SỰ SINH CỦA NÓ - nó mang cùng năng lượng và bay theo cùng một hướng.
Vì vậy, sau khi photoTON đầu tiên gặp nguyên tử bị kích thích, hai photoTon giống hệt nhau hoàn hảo sẽ bay xa hơn và nguyên tử chuyển sang mức năng lượng thấp hơn. Sự đồng nhất tuyệt đối của hai photon này không chỉ được biểu hiện ở sự bằng nhau về năng lượng và sự trùng hợp về hướng bay của chúng, mà còn ở một tính chất gọi là sự kết hợp. Có một lý thuyết lượng tử về sự kết hợp, đặc biệt được phát triển sau sự ra đời của tia laser; tuy nhiên, tính chất này được mô tả rõ ràng hơn trên cơ sở các khái niệm sóng cổ điển mà không có bất kỳ sự nhảy pha hoặc thay đổi hướng nào.
Bây giờ chúng ta đã hiểu tại sao quá trình phát xạ kích thích Eischstein được gọi là sự hấp thụ có mục tiêu. Xét cho cùng, hấp thụ và phát xạ kích thích là hai quá trình “nghịch đảo lẫn nhau”. Trạng thái ban đầu trong quy trình đầu tiên trùng với trạng thái cuối cùng của quy trình thứ hai và ngược lại (Hình 3). Ngoài ra, khi bị hấp thụ, cường độ ánh sáng tới giảm đi nhưng tính kết hợp của nó không bị phá vỡ; Do sự phát xạ cảm ứng, cường độ của ánh sáng tới tăng lên do sự phát xạ cảm ứng, kết hợp với ánh sáng tới.
Do đó, nếu trong môi trường có các nguyên tử bị kích thích có khả năng phát xạ kích thích, thì sự truyền cùng mức ánh sáng trong quá trình truyền sẽ làm tăng cường độ của nó, vẫn kết hợp và quá trình này ngược lại với quá trình hấp thụ.
Chính sự hấp thụ ánh sáng nhất quán trong quá trình phát xạ kích thích là nền tảng cho việc tạo ra các máy phát lượng tử quang học—laser. Bản thân từ “laser” được hình thành từ các chữ cái đầu tiên của từ tiếng Anh khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ kích thích.
Đảo ngược dân số và cách đạt được nó
Tất cả ngôi nhà hàng đầu
Tên một câu chuyện cổ tích tiếng Anh
Bây giờ chúng ta có thể giải thích tại sao các môi trường khác nhau thường làm yếu đi ánh sáng hơn là tăng cường ánh sáng. Vấn đề là trong điều kiện bình thường luôn có nhiều nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn ở mức năng lượng cao hơn (Hình 4). Do đó, trong môi trường có nhiều nguyên tử có khả năng “nuốt” hơn là phát ra photon, và số lượng sự kiện hấp thụ vượt quá số lượng sự kiện phát xạ kích thích.
Để thu được môi trường khuếch đại, cần phải tạo ra sự đảo ngược quần thể nguyên tử ở các mức năng lượng – để tạo ra tình huống trong đó có nhiều nguyên tử ở mức trên hơn ở mức thấp hơn (Hình 5). Khi đó tác dụng phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át tác dụng hấp thụ và do sự phát xạ cưỡng bức nên sự hấp thụ ánh sáng sẽ xảy ra. Hãy xem cách đảo ngược
Hình 4. Phân bố bình thường của nguyên tử theo mức năng lượng.
6
Hình 7. Sự phân bố electron theo năng lượng.
Tất cả các electron đều có cùng năng lượng, bằng năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của chúng, khi đó không có electron nào có thể kích thích nguyên tử. Ở một nhiệt độ nhất định (ở một giá trị nhất định ), năng lượng của chuyển động nhiệt của từng electron khác với giá trị - như người ta nói, có sự phân tán năng lượng của electron. Hình 7 thể hiện đồ thị phân bố năng lượng của electron ở một nhiệt độ nhất định. Có thể thấy chỉ một phần nhỏ electron có năng lượng trên ngưỡng kích thích của nguyên tử.
Mức độ dân số không chỉ phụ thuộc vào các sự kiện mà còn phụ thuộc vào tuổi thọ của nguyên tử ở một mức năng lượng nhất định. Rõ ràng là tuổi thọ ở một mức nhất định càng dài thì càng có nhiều nguyên tử tích tụ trên đó. Vì vậy, để đạt được sự đảo ngược dân số, sẽ có lợi nếu có cấp độ cao hơn với tuổi thọ dài hơn và cấp độ thấp hơn với tuổi thọ ngắn hơn. Đối với laser hoạt động ở chế độ liên tục, điều kiện này rất nghiêm ngặt.
Hình 8a thể hiện các phương pháp quản lý sơ đồ xen kẽ ở các cấp độ nguyên tử neon. Sự chuyển đổi giữa các cấp độ và đi kèm với sự phát ra một vạch màu đỏ có bước sóng 0,6328 μm. Tuổi thọ của các nguyên tử ở cấp độ là khoảng s và ở cấp độ s, tức là ít hơn khoảng năm lần, điều này thuận lợi cho việc đạt được sự đảo ngược. Tuy nhiên, các nguyên tử lên đến cấp chỉ có thể phát sinh từ các electron có năng lượng vượt quá và đến cấp thấp hơn - các electron có năng lượng vượt quá *). Vì , tình huống này không ủng hộ việc đảo ngược. Cấp độ càng cao thì các electron càng khó kích thích nguyên tử đến cấp độ này. Do tác động của hai yếu tố này, rất khó thu được sự nghịch đảo trong neon nguyên chất. Điều này buộc phải sử dụng hỗn hợp gel và neon, và lượng gel trong hỗn hợp này nhiều hơn neon khoảng mười lần.
*) Cũng có thể xảy ra trường hợp sau: một nguyên tử, đã kết hợp với một electron và chuyển đến mức kích thích, trong suốt thời gian tồn tại của nó sẽ va chạm với một electron thứ hai và chuyển lên mức cao hơn (sự kích thích như vậy được gọi là từng bước). Tuy nhiên, nồng độ của các nguyên tử bị kích thích là nhỏ (do tuổi thọ của các nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn), và do đó, trong điều kiện bình thường, xác suất xảy ra sự kiện như vậy là không có.
Hình 8a.
Hình 86.
8
Hình 11.
Kết quả là các photon tuyết lở gặp phải một trong các gương laser và sau khi bị phản xạ sẽ quay trở lại môi trường hoạt động, đi kèm với đó là sự gia tăng tuyết lở. Sau đó, sự phản chiếu xảy ra từ tấm gương thứ hai và một lần nữa trận tuyết lở lại phát triển, v.v. Với sự trợ giúp của một tấm gương, chúng ta dường như mở rộng môi trường hoạt động. Tuy nhiên, người ta không nên nghĩ rằng ngay cả với những chiếc gương lý tưởng phản chiếu tất cả các photon rơi vào chúng, trận tuyết lở sẽ phát triển vô tận. Bản thân trận tuyết lở đã làm hỏng các điều kiện tăng trưởng. Ở mật độ thông lượng photon đủ cao, chúng sẽ “hạ gục” các nguyên tử bị kích thích xuống mức năng lượng thấp hơn nhanh đến mức sự nghịch đảo dân số sẽ biến mất. Nhưng cùng với sự phát xạ kích thích, quá trình hấp thụ và phát xạ tự phát cũng diễn ra. Trong quá trình phát xạ tự phát, các photon mới nổi lan truyền đồng đều trong không gian theo mọi hướng và sự đóng góp của chúng vào vụ tuyết lở photon là rất nhỏ và đại diện cho ánh sáng không lõi. Sự phát xạ tự phát của các nguyên tử tạo ra một lượng nhỏ cái gọi là “nhiễu” trong tia laser. Khi, do sự biến mất của nghịch đảo dân số, trạng thái cân bằng xảy ra giữa số lượng tác dụng hấp thụ và số lượng tác dụng phát xạ tự phát và kích thích, thì quá trình khuếch đại ánh sáng tiếp theo sẽ chấm dứt. (Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng giải phóng trong quá trình phát xạ trở thành năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử Ne.)
Từ thành công đến thế hệ
Định nghĩa chính xác về “kết nối tượng hình” không có gì quan trọng. U.R. Ashby. “Giới thiệu về Cybernet”
Bây giờ chúng ta hãy tìm hiểu vai trò của những chiếc gương thật có hệ số phản xạ nhỏ hơn một. Nếu không có gương, ống xả khí chứa hỗn hợp helium-neon sẽ hoạt động như một bộ khuếch đại ánh sáng. Gương biến thiết bị thành máy phát ánh sáng. Sử dụng thuật ngữ kỹ thuật vô tuyến, chúng ta có thể nói rằng chiếc gương cung cấp phản hồi tích cực.
Khi sóng ánh sáng được mô tả ở trên chạm tới một trong các gương, nó sẽ bị phản xạ một phần, truyền theo hướng ngược lại qua môi trường hoạt động, lại khuếch đại và tới gương thứ hai, nơi điều tương tự sẽ được lặp lại. Sóng sẽ “ném” vào giữa các tấm gương, giống như hổ bị nhốt trong chuồng.
Hãy để chúng tôi nhắc bạn rằng một trong những tấm gương hơi rõ ràng một chút. Với mỗi phản xạ từ tấm gương này, một phần nhỏ sóng ánh sáng sẽ được giải phóng. Chùm tia laser biến đổi tổng số các bộ phận này thành sóng ánh sáng truyền xung quanh trong lồng gương. Và nếu sự mất mát ánh sáng trong gương (và không có gương nào không bị tổn thất) được bù bằng sự khuếch đại ánh sáng trong môi trường hoạt động, thì chế độ phát laser tĩnh sẽ được thiết lập. Môi trường hoạt động của laser helium-neon có hiệu ứng khuếch đại rất yếu (cường độ của luồng ánh sáng tăng khoảng 10% trên mỗi mét đường đi trong môi trường hoạt động). Do đó, các gương trong tia laser như vậy
9
phải có hệ số phản xạ rất cao trên 90%.
Vì vậy, chúng tôi đã tìm ra hiện tượng xảy ra trong ống phóng khí của tia laser helium-neon. Về cơ bản, tia laser trải qua quá trình chuyển đổi năng lượng. Các giai đoạn chính của quá trình này có thể được biểu diễn bằng sơ đồ trong Hình 11.
Chùm tia laze
Chùm tia sét.
F. Tyuchev
Sự phát sáng của môi trường hoạt động thường được phân biệt với sự phát sáng của các nguồn sáng như đèn sợi đốt hoặc đèn huỳnh quang. Trong các nguồn sáng thông thường, sự hỗn loạn hoàn toàn ngự trị - đây đó xuất hiện những tia sáng riêng biệt, chảy thành một luồng ánh sáng chung. Những tia sáng này là những nhóm sóng riêng biệt được phát ra từ các nguồn khác nhau (các nguyên tử bị kích thích khác nhau) và các pha ban đầu của các sóng này hoàn toàn tùy ý, không phối hợp theo bất kỳ cách nào. Ánh sáng rực rỡ của các nguồn sáng thông thường giống như tiếng gầm rú của một đám đông vô tổ chức, có phần phấn khích. Một hình ảnh hoàn toàn khác trong tia laser. Nhờ tác dụng phát xạ cảm ứng, sóng ánh sáng ra lệnh cho bức xạ của từng nguyên tử. Ở đây nó giống như một dàn hợp xướng hài hòa - đầu tiên một thành viên của dàn hợp xướng bước vào, sau đó là những thành viên khác, cường độ âm thanh tăng lên. Dàn hợp xướng được điều khiển bởi sóng ánh sáng mà nó tạo ra. Pha của từng nhóm sóng phát ra từ các nguyên tử khác nhau là nhất quán với nhau. Đây là nguyên nhân dẫn đến sự kết hợp của ánh sáng phát ra từ tia laser.
Vì vậy, chùm tia laser là tổng của các phần sóng ánh sáng truyền qua gương mờ. Và vì tất cả những chi tiết này gắn kết với nhau nên giao diện xảy ra do sự bổ sung của chúng. Như đã biết, biên độ cực đại của sóng thu được sẽ đạt được nếu hiệu đường đi của các sóng được thêm vào bằng một bước sóng nguyên. Độ dài đường truyền của sóng laser giữa hai gương phát ra từ cùng một gương là 2L, trong đó L là khoảng cách giữa hai gương. Vì vậy, để có được chùm tia sáng phát ra phải đáp ứng các điều kiện sau:
trong đó n là số nguyên, λ là bước sóng ánh sáng. Điều kiện (3) có ý nghĩa đơn giản: phải đặt một số nguyên nửa sóng dọc theo chiều dài của ống laser (cộng hưởng). Khi làm dao động một sợi dây có hai đầu cố định, một số nguyên nửa sóng cũng được đặt dọc theo chiều dài của sợi dây. Đây là điều kiện để hình thành sóng dừng. Và một sóng ánh sáng dừng được thiết lập bên trong tia laser (chính xác hơn là gần như đứng yên - do tính trong suốt của một trong các gương).
Điều kiện (3) có thể được viết lại như sau:
trong đó c là tốc độ ánh sáng, v = \frac{c}{\lambda} là tần số.
Nhưng tần số ánh sáng phát ra từ các nguyên tử neon trong quá trình chuyển từ mức E₃ sang mức E₂ bằng
Do đó, tần số ánh sáng do tia laser tạo ra phải đồng thời thỏa mãn cả phương trình (4) và phương trình (5). Phương trình đầu tiên xác định điều kiện cộng hưởng giữa ánh sáng và sự cộng hưởng và có tính chất cổ điển. Vì gương cộng hưởng có kích thước tối đa nên ánh sáng tương tác với nó dưới dạng sóng ánh sáng. Phương trình (4) có tính chất lượng tử và xác định điều kiện cộng hưởng giữa ánh sáng và các nguyên tử của môi trường hoạt động, được biểu thị bằng các chất cộng hưởng vi mô dưới dạng dòng photon.
Do đó, cả độ sáng sóng và lượng tử của ánh sáng đều xuất hiện đồng thời trong tia laser.
10
Hình 12.
Hình 13. “Độ sắc nét của sự điều chỉnh” của các nguyên tử không giống như sự cộng hưởng của gương.
Bây giờ chúng ta hãy nhận ra rằng trên thực tế chúng ta đã quen thuộc với bức xạ có tần số cụ thể (Hình 12, a), chúng ta phải chọn kích thước của cộng hưởng - khoảng cách giữa các gương - sao cho tần số tự nhiên của cộng hưởng (được xác định bởi các điều kiện hình thành sóng thải) chính xác bằng . Và khoảng cách này sẽ phải được duy trì với độ chính xác đến từng phần nhỏ của chiều dài bức xạ. Trong thực tế rất khó có thể đáp ứng được yêu cầu này. May mắn thay, điều này bài toán giúp mọi việc trở nên dễ dàng hơn vì trên thực tế, tần số bức xạ của một nguyên tử không chính xác bằng , mà nằm trong một phạm vi giá trị nhất định . Tuy nhiên, lý do tại sao điều này xảy ra là do chuyển động nhiệt của các nguyên tử. Vì tốc độ của từng nguyên tử có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tốc độ chuyển động nhiệt nên năng lượng của các nguyên tử ở một mức năng lượng nhất định không chính xác bằng mà nằm trong một phạm vi giá trị nhất định (Hình 12, b). Một số giá trị của tần số tự nhiên cộng hưởng rơi vào khoảng tần số (Hình 13). Do đó, đối với một tần số bức xạ nhất định, chùm tia laze mạnh sẽ thu được bằng cách điều chỉnh cộng hưởng thành tập tần số không phải bát phân (tương ứng với các giá trị khác nhau của số nguyên trong điều kiện (4)). Nếu không thực hiện các biện pháp đặc biệt, tia laser helian-neon sẽ phát ra toàn bộ tập hợp tần số này, mặc dù tập trung ở một vùng khá hẹp (độ rộng của vạch phổ của nguyên tử neon).
Ngoài ra còn có các loại laser đơn hạt, nhưng chúng có một thiết bị đặc biệt chọn lọc một trong các cộng hưởng hẹp.
Công suất chùm tia của laser helian-neon thấp—cỡ một số thập phân. Mặc dù vậy, nếu chùm tia chiếu vào mắt, nó có thể làm hỏng thị lực của bạn. Ống phóng tia laser tiêu thụ điện năng từ 20 đến 100 W để kích thích môi trường hoạt động. Do đó, tia laser gel-neon chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng của chùm ánh sáng với hiệu suất không cao hơn một phần trăm.
Đồng thời, chùm tia laser có một số đặc tính có giá trị bù đắp cho hiệu suất thấp. Trước hết, đây là hướng của chùm tia. Khi nói về nguồn gốc của vụ tuyết lở photon, chúng tôi đã chỉ ra rằng photon đầu tiên sẽ bay ra song song với trục của ống phóng điện. Photon phát ra “xiên” và các photon do nó tạo ra sẽ nhanh chóng “đi ra” qua thành bên của ống, không bị khuếch đại. Sự phản chiếu từ gương sẽ chỉ nâng cao hiệu ứng. Vì vậy, một chùm tia định hướng được bảo toàn bên trong ống, độ phân kỳ góc của nó chỉ có bán kính . Tính định hướng cao của chùm tia laser gel-neon khiến nó không thể thiếu trong việc thiết lập hướng chính xác trong quá trình xây dựng các công trình khác nhau và khi đặt đường hầm. Tính đơn sắc cao của bức xạ của laser gel-neon, thậm chí không phải là tia laser đơn hạt, làm cho thang đo laser này trở thành nguồn thuận tiện cho việc nghiên cứu và ứng dụng thực tế các hiện tượng giao thoa khác nhau. Ngoài laser helian-neon, còn có một số lượng lớn các loại laser khí khác sử dụng các loại khí nguyên tử và phân tử khác nhau làm môi trường hoạt động. Có những cái trung bình và vảy rất mạnh. Ngoài ra còn có tia laser với hiệu suất khá cao. Nhưng như người ta nói, đó lại là một câu chuyện khác.