Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Но прежде чем перейти к ее описанию, надо ответить на естественный вопрос: зачем надо пользоваться смесью газов? Ответ таков: одни атомы и молекулы проще возбудить, а другие легче высвечиваются. Так что в лазере, работающем на смеси, в основном накачиваются энергией частицы одного сорта, столкновениями они передают энергию другим атомам или молекулам, а уже эти последние создают лазерный луч.

B ходу системы, состоящие более чем из двух газов. В частности, и в лазере, где основная роль принадлежит азоту и углекислому газу, кроме этих двух веществ целесообразно использовать различные добавки, в том числе гелий.

Накачка лазера, в котором «работают» молекулы СО 2, производится способом, отличным от двух описанных. Смесь газов помещается в газоразрядную трубку, напряжение подается достаточно высокое для того, чтобы система перешла в состояние плазмы. Быстро движущиеся электроны возбуждают колебания молекул азота. Схема показывает скачок этой молекулы на верхний этаж. Не безразлично, какое напряжение приложено к электродам. Оптимальной энергией для возбуждения молекул азота является энергия около 2 эВ.

Молекула азота играет роль лишь посредницы. Сама она не дает излучения, а полученную от электронов энергию передает молекуле СО 2и переводит ее на верхний лазерный уровень.

Верхними лазерными уровнями 2 являются «квартиры третьего этажа» молекул СО 2. Время жизни молекулы газа на верхнем лазерном уровне — около 0,001 с. Это совсем не мало, и молекула имеет достаточно большой шанс дождаться встречи с фотоном подходящей энергии, который вынудит ее поселиться этажом ниже.

Надо заметить, что «межквартирные» переходы много чаще переходов между «этажами». Время жизни на вращательном уровне измеряется десятимиллионными долями секунды. Это удачное обстоятельство приводит к тому, что заселение квартир каждого этажа можно считать стабильным. Поэтому с помощью технического приема, о котором мы говорили, — создания подходящего расстояния между зеркалами, — удается выделить какой-либо один переход — допустим, с шестой квартиры третьего этажа в пятую квартиру второго.

Конструктор лазера должен располагать исчерпывающими сведениями о времени существования атома на том или другом подуровне и о вероятностях перехода. Тогда он сможет выбрать оптимальное излучение данной газовой смеси. Лазер, работающий на углекислом газе, настраивают обычно на длину волны 10,5915 мкм.

Для хорошей работы лазера надо чтобы молекулы не задерживались на нижнем лазерном уровне. Так сказать, сделал свое дело, дай место другому. Так вот, при давлении 1 мм. рт. ст. молекулы углекислого газа испытывают 100 соударений в секунду, освобождающих уровень. Соответствующие цифры при наличии гелия и воды — 4000 и 100 000. Разница огромная.

Подбирая подходящие примеси к углекислому газу, можно существенней влиять на мощность прибора. Как будто бы именно такой лазер специалисты считают золотым медалистом.

Лазер, работающий на СО 2, дает луч, который можно фокусировать на площадь 0,004 см 2с интенсивностью 1000 кВт/см 2при постоянном режиме и 1 000 000 кВт/см 2в импульсном режиме при времени импульса, равном 1 нс.

Поиск подходящих материалов для лазеров является своего рода искусством. Надо обладать хорошей интуицией, выдумкой, памятью, чтобы создать эффективно действующий лазер.

Исключительно большая интенсивность и когерентность лазерного излучения революционизировали многие области техники. Производство лазеров за последнее десятилетие превратилось в важнейшую отрасль промышленности. Лазеры находят себе применение как генераторы излучения, передающие не только энергию, но и информацию. Ведется интенсивное исследование возможностей применения лазеров для создания термоядерной реакции. В практику вошли применения лазера как ножа, как инструмента для проведения тончайших хирургических операций, как средства для разделения изотопов. О некоторых применениях лазера мы поговорим в ходе дальнейшего изложения.

Тепловое излучение является универсальным свойством всех тел. Тепловые лучи излучаются телом при любой температуре, начиная от абсолютного нуля. Тепловой спектр — сплошной и изображается кривой, характер которой мы обсудили. Правда была приведена кривая для черного тела, но кривая для окрашенных тел в принципе мало чем отличается от кривой для черных. Разница лишь в том, что у окрашенных тел кривая будет искажена. Но общее возрастание энергии излучения при росте температуры и смещение максимума в левую сторону (если по оси абсцисс отложены длины волн) являются общим законом.

Любое излучение состоит в переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий. Но причины возбуждения атомов или молекул могут быть разными. В случае теплового излучения это удары, получаемые частицами вещества благодаря тепловому движению.

Но это не единственная причина, заставляющая тело излучать волны. Явление люминесценции, к описанию которого мы переходим, имеет другую природу. Этим явлением охватывают процессы возбуждения молекул, не связанные с повышением температуры тела. Причинами возбуждения частиц могут быть встречи с пучками фотонов или электронов, механические удары, трение и т. д.

Люминесцируют практически все вещества, Но лишь некоторые вещества — люминофоры — светятся ярко и имеют практическое значение.

Люминофоры используются как материалы, которыми покрываются экраны телевизоров и осциллографов. В этом случае свечение происходит под ударами электронов. Очень эффектно люминесцируют вещества под действием ультрафиолетового излучения. Энергия падающего фотона должна быть во всяком случае больше энергии излучаемого фотона. Так что падающий квант энергии может принадлежать невидимой части спектра, а излученный — видимой.

Миллиардные доли примесей люминесцирующего вещества заговорят о себе, если вещество облучить ультрафиолетом. Поэтому люминесцентный анализ используется иногда как средство химического анализа. С его помощью обнаруживаются следы нежелательных загрязнений.

Люминофорами покрываются стенки ламп дневного света.

Различают два вида люминесценции — флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция — высвечивание атома или молекулы, происходящее без задержки молекулы на возбуждённом уровне. Напротив, фосфоресценция есть явление, которое может произойти с большим запозданием. Это случается, если при возбуждении система переходит на метастабильный уровень, переходы с которого вниз имеют малую вероятность. Излучение происходит, как правило, после того, как молекула сначала поглотит энергию и поднимется на верхний уровень, а потом уже произойдет высвечивание, причем переход на низший уровень совершается без остановки на промежуточном, метастабильном.