Техника - молодёжи 1961-09, страница 10

КРИСТАЛЛ РУБИНА

СТЕКЛЯННАЯ ТРУБКА // \УСИЛЕННЫИ

I Ж. ЛУЧ

ОХЛАДИТЕЛЬ

Устройство ласера.

Говоря обо всем этом, нужно упомянуть несколько положений квантовой механики — раздела современной физики, в основном посвященного процессам, происходящим в микромире.

Прежде всего отметим, что орбита электроне е атоме водорода ие может располагаться «где угодно». В нем, так же, впрочем, как и во всех других атомах, могут существовать лишь строго определенные, так называемые «разрешенные», орбиты, а промежутках между которыми электрон вращаться не может. Отсюда следует, что электроны в атоме могут иметь лишь строго определенные, «разрешенные» уровни энергии. Это в какой-то степени напоминает жилой дом, где люди находятся на определенных уровнях — этажах, а в пространстве между этажами жить не могут.

(Поскольку уровни энергии электрона сирого определенны, то при переходе его с одного уровня на другой энергия выделяется также строго определенными порциями — квантами. А это, л свою очередь, означает, что в зависимости от того, с какой и на какую орбиту перешел электрон, он будет создавать излучение строго определенной частоты.

Так, например, в уже знакомом нам атоме водорода при переходе электрона со второй «разрешенной» ' орбиты на первую будут излучаться электромагнитные волны длиной около 500 миллимикрон (синий свет), переход с третьей орбиты на первую сопровождается излучением с длиной волны около 700 миллимикрон (красный свет) и .т. д.

В обычном состоянии электрон в атоме водорода находится на нижнем энергетическом уровне, то есть движется по ближайшей к ядру орбите. Для того чтобы повысить его энергетический уровень, нужно передать дополниггелыную энергию: например, направив на этот электрон порцию (квант) электромагнитных волн определенной частоты. Поглотив эту порцию энергии, электрон перейдет на более далекую орбиту, а затем, вернувшись в исходное положение, возвратит полученную энергию обратно в виде такого же кванта электромагнитных волн. Одним словом, всякий переход электрона с одной орбиты на другую сопровождается поглощением или излучением порции энергии электромагнитных волн строго определенной длины.

В сложных атомах, с большим числом электронов и огромным количеством их возможных орбит может быть очень много вариантов перехода электронов, и такие атомы могут быть источником излучения световых волн самой различной длины.

Именно из-за таких хаотичных излучений светится горящая спичка или накаленная нить электричевкой лампочки.

Помимо перехода электронов с - одной орбиты на другую, в веществе происходят и другие движения частиц. Все эти движения также носят квантовый характер и сопровождаются излучением электромагнитных воли. Так, например, изменение энергии колебаний атомов в пределах молекулы создает .инфракрасное излучение, а изменение энергии вращательного движения молекул создает еще более длинноволновые электромагнитные излучения, которые попадают в область не толь'юо миллиметровых, но и сантиметровых радиоволи.

Однако использовать шее з^и источники в качестве радиопередатчиков не тЬк-то просто, так как они одновременно излучают электромагнитные волны самых различных частот. Радиопередатчик же должен давать сигнал одной определенной частоты, или, иными словами, должен давать монохром

ное излучение. Кроме того, излучение в отдельных молекулах или атомах происходит несогласованно, хаотично, что несколько напоминает оркестр, где музыканты, позабыв про дирижера, играют кто во что горазд.

Совершенно очевидно, что применение хаотичных и многочастотных электромагнитных воли для связи или локации не может дать эффекта. И если мы хотим использовать сеет для тех же_ целей, что и радиоволны, то нужно прежде всего научиться создавать и усиливать монохромное и упорядоченное, или, как говорят иначе, когерентное, световое излучение.

Эти задачи решаются с помощью нвантоео-механических приборов, которые получили такое название потому, что они созданы на основе изучения законов квантовой механики.

ЗЕЛЕНЫЙ СВЕТ УСИЛИВАЕТ КРАСНЫЙ

На вкладке весьма упрощенно показано устройство одного из квантово-механических приборов — усилителя и гене ратора красного свете. Его основой является небольшой кристалл рубина с незначительной примесью ионов хрома. Именно эта примесь и играет основную роль в усилении света.

Атомы примеси имеют три основных энергетических уровня: низ1кий, средний .и .высокий. В обычном состоянии энергия подавляющего большинства ионов хрома минимальна, то есть соответствует низкому уровню. Бели же облучить кристалл электромагнитными волнами, соответствующими зеленому свету, то за счет поглощения этих волн энергия ионов резко повысится и будет соответствовать высокому уровню. Практически это проявляется в том, что ионы начинают сильнее колебаться в кристаллической решетке рубина. Перевод ионов не высокий энергетический уровень (этот' процесс часто называют «накачкой») осуществляется с помощью света, который деет специальная вспомогательная гезоразряднвя лампа (лампа накачки). На высоком энергетическом уровне ионы хрома долго ие остаются. Потеряв часть запасенной энергии, они постепенно перейдут иа средний уровень и будут сохранять его сколько угодно долго. Представьте себе, что торцовые грани кристалла покрыты тонкими металлическими пленками — отражающими зеркалами, в каждом из которых имеется небольшое отверстие: на одной грани входное, иа другой — выходное. Попробуем через входное отверстие ввести в кристалл слабое электромагнитное излучение с длиной волны 0,69 микрона (красный свет). Такая длине волны выбрана не случайно — она соответствует разнице энергии электронов, находящихся на среднем и нижнем уровне. Освещая рубин красным светом, мы как бы заставляем электроны «прыгать» со второго уровня на первый. При этом переходе сам кристалл рубина, точнее его примесь, становится источником красного излучения, с длиной волны 0,69 микрона.

Если с помощью пампы накачки беспрерывно «забрасывать» «а высокий энергетический уровень все новые и новые ионы хрома, то, возвращаясь на нижний уровень (разумеется, через средний), они создадут в кристалле красный свет, намного более сильный, чем мы вводили в него. Иными словами, произойдет усиление красного света. Если закрыть входное отверстие и соответствующим образом расположить отражающие зеркале, то кристалл рубина, освещаемый зеленым светом, превратится в генератор — он сам станет источником красного света. При этом в кристалле будет происходить процесс, несколько напоминающий «цепную реакцию». Первый же атом, который «случайно» перейдет нижний энер-

Переходя на нижний энергетический уровень, электрон испускает квант света.

6