1. Прынцып генерацыі лазера
Структура атама падобная да невялікай сонечнай сістэмы, з атамным ядром пасярэдзіне. Электроны пастаянна круцяцца вакол атамнага ядра, і атамнае ядро таксама пастаянна круціцца.
Ядро складаецца з пратонаў і нейтронаў. Пратоны маюць станоўчы зарад, а нейтроны — незараджаныя. Колькасць станоўчых зарадаў, якія нясе ўсё ядро, роўная колькасці адмоўных зарадаў, якія нясуць усе электроны, таму атамы звычайна нейтральныя да знешняга свету.
Што тычыцца масы атама, то ў ядры сканцэнтравана большая частка масы атама, і маса, якую займаюць усе электроны, вельмі малая. У атамнай структуры ядро займае толькі невялікую прастору. Электроны круцяцца вакол ядра, і электроны маюць значна большую прастору для актыўнасці.
Атамы маюць «ўнутраную энергію», якая складаецца з дзвюх частак: адна заключаецца ў тым, што электроны маюць арбітальную хуткасць і пэўную кінетычную энергію; другая заключаецца ў тым, што паміж адмоўна зараджанымі электронамі і дадатна зараджаным ядром існуе адлегласць, а таксама існуе пэўная колькасць патэнцыяльнай энергіі. Сума кінетычнай энергіі і патэнцыяльнай энергіі ўсіх электронаў — гэта энергія ўсяго атама, якая называецца ўнутранай энергіяй атама.
Усе электроны круцяцца вакол ядра; часам бліжэй да ядра энергія гэтых электронаў меншая; часам далей ад ядра энергія гэтых электронаў большая; у залежнасці ад верагоднасці з'яўлення, людзі падзяляюць электронны пласт на розныя «энергетычныя ўзроўні»; на пэўным «энергетычным узроўні» можа часта круціцца некалькі электронаў, і кожны электрон не мае фіксаванай арбіты, але ўсе гэтыя электроны маюць аднолькавы ўзровень энергіі; «Энергетычныя ўзроўні» ізаляваны адзін ад аднаго. Так, яны ізаляваны ў адпаведнасці з энергетычнымі ўзроўнямі. Паняцце «энергетычны ўзровень» не толькі падзяляе электроны на ўзроўні ў адпаведнасці з энергіяй, але і падзяляе арбітальную прастору электронаў на некалькі ўзроўняў. Карацей кажучы, атам можа мець некалькі энергетычных узроўняў, і розныя энергетычныя ўзроўні адпавядаюць розным энергіям; некаторыя электроны круцяцца на «нізкім энергетычным узроўні», а некаторыя электроны круцяцца на «высокім энергетычным узроўні».
У нашы дні ў падручніках па фізіцы для сярэдняй школы выразна пазначаны структурныя характарыстыкі пэўных атамаў, правілы размеркавання электронаў у кожным электронным пласце і колькасць электронаў на розных энергетычных узроўнях.
У атамнай сістэме электроны рухаюцца пластамі, прычым некаторыя атамы знаходзяцца на высокіх энергетычных узроўнях, а некаторыя — на нізкіх. Паколькі на атамы заўсёды ўплывае знешняе асяроддзе (тэмпература, электрычнасць, магнетызм), электроны на высокіх энергетычных узроўнях няўстойлівыя і могуць спантанна пераходзіць на нізкі энергетычны ўзровень, іх уздзеянне можа паглынацца, альбо яны могуць выклікаць спецыяльныя эфекты ўзбуджэння і выклікаць «спантанную эмісію». Такім чынам, у атамнай сістэме, калі электроны на высокіх энергетычных узроўнях пераходзяць на нізкія энергетычныя ўзроўні, назіраюцца два працэсы: «спантанная эмісія» і «вымушаная эмісія».
Спантаннае выпраменьванне, электроны ў высокаэнергетычных станах нестабільныя і пад уздзеяннем знешняга асяроддзя (тэмпературы, электрычнасці, магнетызму) спантанна мігруюць у нізкаэнергетычныя станы, а лішняя энергія выпраменьваецца ў выглядзе фатонаў. Характэрнай рысай гэтага віду выпраменьвання з'яўляецца тое, што пераход кожнага электрона ажыццяўляецца незалежна і выпадковы. Фатонныя станы спантаннага выпраменьвання розных электронаў розныя. Спантаннае выпраменьванне святла знаходзіцца ў «некагерэнтным» стане і мае рассеяныя напрамкі. Аднак спантаннае выпраменьванне мае характарыстыкі саміх атамаў, і спектры спантаннага выпраменьвання розных атамаў розныя. Кажучы пра гэта, варта памятаць пра базавыя веды ў фізіцы: «Любы аб'ект мае здольнасць выпраменьваць цяпло, а таксама здольнасць бесперапынна паглынаць і выпраменьваць электрамагнітныя хвалі. Электрамагнітныя хвалі, якія выпраменьваюцца цяплом, маюць пэўнае размеркаванне спектру. Гэта размеркаванне спектру звязана з уласцівасцямі самога аб'екта і яго тэмпературай». Такім чынам, прычынай існавання цеплавога выпраменьвання з'яўляецца спантаннае выпраменьванне атамаў.
Пры вымушаным выпраменьванні электроны высокаэнергетычнага ўзроўню пераходзяць на нізкаэнергетычны ўзровень пад уздзеяннем «стымуляцыі» або «індукцыі» «фатонаў, прыдатных для ўмоў», і выпраменьваюць фатон з такой жа частатой, як і падаючы фатон. Найбольш важнай асаблівасцю вымушанага выпраменьвання з'яўляецца тое, што фатоны, якія генеруюцца вымушаным выпраменьваннем, маюць дакладна такі ж стан, як і падаючыя фатоны, якія генеруюць вымушанае выпраменьванне. Яны знаходзяцца ў «кагерэнтным» стане. Яны маюць такую ж частату і адзін і той жа кірунак, і адрозніць гэтыя два станы абсалютна немагчыма. Такім чынам, адзін фатон ператвараецца ў два аднолькавыя фатоны праз адно вымушанае выпраменьванне. Гэта азначае, што святло ўзмацняецца або «ўзмацняецца».
Цяпер давайце зноў прааналізуем, якія ўмовы патрэбныя для таго, каб атрымліваць усё больш частае вымушанае выпраменьванне?
Пры нармальных абставінах колькасць электронаў на высокіх энергетычных узроўнях заўсёды меншая за колькасць электронаў на нізкіх энергетычных узроўнях. Калі вы хочаце, каб атамы выраблялі вымушанае выпраменьванне, вам трэба павялічыць колькасць электронаў на высокіх энергетычных узроўнях, таму вам патрэбна «крыніца накачкі», мэтай якой з'яўляецца стымуляванне большай колькасці. Занадта шмат электронаў з нізкіх энергетычных узроўняў пераходзяць на высокія энергетычныя ўзроўні, таму колькасць электронаў з высокіх энергетычных узроўняў будзе большай за колькасць электронаў з нізкіх энергетычных узроўняў, і адбудзецца «змена колькасці часціц». Занадта шмат электронаў з высокіх энергетычных узроўняў могуць заставацца толькі вельмі кароткі час. Час пераскочыць на ніжэйшы энергетычны ўзровень, таму верагоднасць вымушанага выпраменьвання выпраменьвання павялічыцца.
Вядома, «крыніца накачкі» наладжваецца для розных атамаў. Яна прымушае электроны «рэзаніраваць» і дазваляе большай колькасці электронаў з нізкіх энергетычных узроўняў пераходзіць на высокія. Чытачы могуць у асноўным зразумець, што такое лазер? Як атрымліваецца лазер? Лазер — гэта «светлавое выпраменьванне», якое «ўзбуджаецца» атамамі аб'екта пад дзеяннем пэўнай «крыніцы накачкі». Гэта лазер.
Час публікацыі: 27 мая 2024 г.
