Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Характеристические спектры атомов и молекул долгие годы исполняли (и продолжают исполнять и сегодня) скромную роль помощников в деле определения химического, строения и состава веществ. Революционные события и области спектроскопии произошли совсем недавно.

Первые тридцать лет нашего века ознаменованы фантастическими успехами теоретической физики. В эти годы были открыты такие важнейшие законы природы, как законы механики больших скоростей, законы строения атомного ядра, законы квантовой механики. Последующие сорок лет демонстрируют не менее феноменальные успехи приложения теории к практике. В эти годы человечество научилось извлекать энергию из атомных ядер, получило в свое распоряжение полупроводниковые транзисторы, революционизирующие радиотехнику и приведшие к созданию ЭВМ, и овладело лазерной техникой. Эти три приложения, по сути дела, и привели к событиям, которые именуют научно-технической революцией.

В этом параграфе речь пойдет о лазерах. Задумаемся над обстоятельствами, которые не позволяют нам, действуя традиционными методами, создать сильный направленный пучок света.

Самый мощный свет, собранный в предельно узкий пучок, расходится и теряет свою интенсивность на расстояниях. И лишь в научно-фантастическом романе Алексея Толстого герой придумывает «гиперболоид», позволяющий создавать лучи, способные жечь, резать, нести громадную энергию на далекое расстояние. Разумеется, можно изготовить такое вогнутое зеркало, которое создаст параллельный пучок света. Для этого надо в фокус зеркала поместить точечный источник. Но точечный — это математическая абстракция. Ну, пусть не точечный, а просто небольшой. Однако, даже накалив шарик до 6000 К (а больше ни один материал не выдерживает), мы получим пучок света жалкой интенсивности. А как только начнем, увеличивать размеры источника, так сразу же вместо параллельного пучка лучей получим веер световых «нитей» и интенсивность луча прожектора будет быстро убывать с расстоянием.

Итак, первое препятствие на пути создания сильного луча — это то, что атомы излучают свет во все стороны. Первое, но не последнее. Атомы и молекулы излучают, так сказать, не сговариваясь друг с другом. Поэтому лучи, исходящие из разных атомов, отправляются в путешествие несогласованно, не дожидаясь друг друга. Это приводит к тому, что излучения разных атомов не совпадают по фазе. A раз так, то лучи от разных атомов будут зачастую уничтожать друг друга. Последнее, как вы вспоминаете, происходит тогда, когда горб одной волны приходится на впадину другой.

Вот эти препятствия и удается преодолеть, создав лазерное излучение. Слово «лазер» — это сокращенное английское название: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает: усиление света с помощью стимулированного излучения.

Идея складывается из нескольких элементов. Прежде всего мы вспоминаем, что наряду со спонтанный излучением существует вынужденное. Как было сказано, этот вид излучения возникает тогда, когда фотон света встречается с возбужденным атомом. Если энергия возбуждения атома в точности равна энергии фотона, то фотон заставляет атом высветиться. Атом переходит на более низкий уровень и излучает фотон. Замечательной особенностью стимулированного излучения является то, что этот фотон будет таким же, как тот, который его породил, не только в отношении своей энергии; он отправится в путь с той же фазой и в том же направлении.

Второй элемент идеи состоит в следующем. Если систему излучающих атомов заключить в трубку, донышки которой находятся на определенном расстоянии друг от друга и могут явиться зеркалами для тех фотонов, которые нас интересуют, то мы можем за счет путешествий фотонов туда-обратно постепенно собрать в этом сосуде множество фотонов, порожденных одинаково возбужденными атомами.

Третий элемент идеи заключается в том, чтобы подольше удержать атомы в возбужденном состоянии, а затем после такой «накачки» заставить все атомы высветиться одновременно. Осуществление идеи лазера, т. е. размножение одного фотона и получение миллиардов тождественных, неотличимых по своим свойствам фотонов, должно привести к созданию светового луча беспрецедентной интенсивности. Такой пучок размывался бы в ничтожной степени, и на поперечное сечение луча приходилась бы огромная энергия.

Но как этого добиться? В течение долгих десятилетий никто не догадывался. Еще в 30-х годах важные соображения на этот счет были высказаны В. А. Фабрикантом; позднее настойчивые усилия будущих лауреатов Нобелевской премии советских ученых А. М. Прохорова и Н. Г. Басова и американского физика Ч. Таунса привели к созданию лазеров.

Положим, система обладает двумя энергетическими уровнями. Большинство атомов или молекул находится на нижнем уровне. Тепловые удары могут на короткое время перевести молекулу на верхний уровень. Но такое положение будет длиться недолго — молекула высветится. При этом подавляющее большинство атомов перейдет на нижний уровень спонтанно. Стимулированные переходы на нижний — уровень будут редки, так как возбужденных частиц мало.

Положим, удалось найти вещество, атомы которого обладают тремя энергетическими уровнями, обозначенными на рис. 1.5 цифрами 1, 2, 3.

Расстояние 1–3 соответствует частоте излучения зеленого света, расстояние 1–2 соответствует частоте красного света. Допустим, что вероятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в тысячи раз больше частоты перехода с уровня 2 на уровень 1. Будем облучать вещество зеленым светом. Атомы поднимутся на третий этаж, спонтанными переходами перейдут на уровень 2 и задержатся на этом уровне. Этот переход называется безызлучательным. Выделившаяся энергия переходит в колебательную энергию атомов. Продолжим нашу фантазию и представим себе, что удалось большинство атомов перевести на уровень 2. Мы добились инверсии заселенности, т. е. «ненормальной» заселенности. Верхние уровни 2 заселены гуще, чем нижние 1 — явление, которое невозможно, когда процессом распоряжается одно лишь тепловое движение.

Переход с уровня 2 на более низкий уровень 1 все же начнет происходить. Соответствующий фотон будет встречать на своем пути другие атомы, находящиеся на возбужденном уровне 2. Такая встреча приведет не к поглощению, а к созданию нового фотона. К первому, случайно образовавшемуся фотону 2–1 будут присоединяться такие же фотоны стимулированного излучения.

Возникает поток фотонов 2–1. Все эти фотоны будут в точности одинаковы и создадут луч огромной интенсивности.

Такой процесс и удалось воспроизвести исследователям, фамилии которых мы назвали. Исторически первым был создан рубиновый лазер. Схема уровней, показанная на рисунке, как раз и характеризует рубин с примесью атомов хрома.

Для создания лазера необходим источник возбуждения, который производит «накачку» лазера, т. е. переводит атомы на высший уровень.

Если источником лазерного излучения является твердое тело, то оно изготовляется в виде цилиндра, основания которого играют роль зеркал. В случае жидкостей или газов создается трубка с зеркалами у основания колонки. Осуществляя микрометрическую подачу зеркал, фиксируя таким образом длину колонки, можно поставить в хорошие условия только те фотоны, целое число длин волн которых укладывается вдоль длины колонки. Только в этом случае все волны складываются.

Пожалуй, основная особенность лазера состоит в возможности создания остронаправленного потока излучения. Лазерный луч может иметь практически любое поперечное сечение. Технически это достигается тем, что луч заставляют путешествовать по узкому стеклянному капилляру достаточно большой длины. Фотоны, идущие под углом к оси капилляра, не примут, участия в процессе размножения фотонов. Резонансная полость (т. е. зеркала, отражающие фотоны то в одном, то в другом направлении в тот период работы лазера, пока идет накачка атомов) размножает только фотоны одного направления. В некоторых случаях; не удовлетворяясь угловой расходимостью пучка порядка одного градуса, на пути выпущенного на волю луча ставят еще дополнительную линзу.

Лазерная установка, когда речь идет о создании больших мощностей, — сложное инженерное сооружение. В колонке создается первоначальный импульс, затем он может быть подан на усилители, которые работают на том же принципе, что и первоначальная колонка, но накачиваются независимо от первичной колонки. Мы не будем останавливаться на этих деталях. Нас интересуют физические принципы накачки и создания лазерного излучения. А они могут существенно различаться, как это показывают рис. 1.6–1.8 со схемами действия лазеров, с помощью которых сегодня получают лучи максимальной мощности.

На рис. 1.6 показана схема так называемого неодимового лазера. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производится лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний.

Совершенно условно она изображена пятью черточками. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень (на этой и на других двух схемах он помечен цифрой 2). Каждый переход дает разную энергию, которая» превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т. е. переход на пустой нижний уровень, помеченный цифрой 1, имеет длину волны 1,06 мкм.

Показанный пунктиром переход с уровня 1 на основной уровень «не работает». Энергия выделяется в виде некогерентного излучения.

Неодимовый лазер позволяет получить фантастическую мощность, равную 10¹² Вт. Энергия выдается импульсами, которые длятся 0,1 нс.

Молодым конкурентом, стал лазер, использующий переходы в возбужденных атомах иода (рис. 1.7).

Рабочим веществом является газ C3F7I. И здесь для накачки употребляются лампы-молнии, но физические процессы иные. Для накачки используется ультрафиолетовый свет с длиной волны 0,25 мкм. Под действием этого излучения происходит диссоциация молекул. Замечательным является то обстоятельство, что атомы иода, отрываясь от молекулы, оказываются в возбужденном состоянии! Как видите, это совсем другой способ достижения инверсии заселенности. Рабочий переход 2 —> 1 приводит к лазерному излучению с длиной волны 1,3 мкм, после чего происходит воссоединение атома иода с молекулярным остатком.