emisia stimulată a radiaţiei. laserul Cuvântul laser astăzi face parte din limbajul nostru uzual. Aceasta se datorează multiplelor sale aplicaţii, de la confecţionarea compact-discurilor și citirea informaţiei de pe ele la realizarea efectelor lumi noase ce însoţesc concertele unor formaţii muzicale, la utilizarea în calitate de bisturiu pentru efectuarea unor intervenţii chirurgicale ș.a. Laserul este un dispozitiv din categoria generatoarelor cuantice de radiaţie electromagnetică. Primul generator cuantic a fost construit în anul 1954 de către Nikolai Basov (1922–2001) și Aleksandr Prohorov (1916–2002) în Uniunea Sovietică, inde pendent și simultan cu Charles Hard Townes (1915–2015) în SUA. În 1964 toţi au devenit laureaţi ai Premiului Nobel. Dispozitivul respectiv genera unde electro magnetice cu lungimea de undă egală cu 1,27 cm (domeniul microundelor) și a fost numit maser (cuvântul reprezintă o abreviere a expresiei din limba engleză Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – amplificarea microundelor prin emisia stimulată a radiaţiei). În anul 1960, fizicianul american Theodore Harold Maiman (1927–2007) a inventat laserul cu rubin, care emite lumină roșie cu lungimea de undă egală cu 694,3 nm. Denumirea laser este formată din Fig. 6.9 a) b)
cazul hidrogenului nu au fost calculate inten si tă ţile liniilor spectrale, adică nu s-a explicat care linii spectrale sunt mai luminoase și care mai întunecate. Toate acestea din cauză că teoria lui Bohr nu este consec ventă în relaţia sa cu fizica clasică. Pe de o parte, este folosit principiul fundamental al dinamicii, expresiile pentru acceleraţia centripetă și energia cine
tică, pe de altă parte, este contestată aplicabilitatea electrodinamicii lui Maxwell în lumea atomilor. Din această cauză teoria lui Bohr este considerată o teorie de tranziţie: semiclasică sau semicuantică. În anii ’20 ai secolului trecut a fost elaborată mecanica cuantică modernă care explică toate problemele ce nu și-au găsit soluţionarea în teoria lui Bohr.
primele litere ale expresiei Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei. Pentru a expune principiul de funcţionare a genera toarelor cuantice, vom analiza, mai întâi, procesele de absorbţie și de emisie a fotonilor (undelor electro magnetice) de către atomi. În conformitate cu postulatul al doilea al lui Bohr (tema 6.3, a), aceste procese se produc la trecerea electronului de pe un nivel energetic pe altul (fig. 6.4). Aici vom reprezenta în figuri starea sistemului până la tranziţia din- tr-o stare în alta și după aceasta (fig. 6.9–6.11, unde electronul este repre zentat printr-un punct negru). Notăm cu E1 energia nivelului fundamental și cu E2 energia unui nivel excitat (E2 > E1). Tranziţiei cuantice, între aceste niveluri, îi corespunde fotonul cu energia hν21 = E2 – E1. Dacă atomul se află în starea cu energia E1 (electronul pe nivelul E1) și asupra lui cade un foton cu energia hν21 (fig. 6.9, a), atomul absoarbe fotonul și trece în starea cu energia E2 (fig. 6.9, b).
100
Atomul în stare excitată (E2) este instabil, are o viaţă medie de ordinul 10–8 s. El trece spontan, fără vreo influenţă din exterior, în starea fundamentală (E1) și emite un foton cu energia hν21 (fig. 6.10, a, b). Aceasta este emisia spontană a radiaţiei. Diferiţi atomi excitaţi emit spontan, independent unul de altul, fotoni între care nu există nicio concordanţă cât privește direcţia de propa gare, faza oscilaţiilor sau polarizarea. Situaţia dată se realizează în sursele obișnuite de lumină necoerentă. În anul 1917, Albert Einstein a argumentat existenţa unei alte modalităţi de emisie a radiaţiei – emisia stimulată (indusă). Să analizăm un atom excitat (electronul pe nivelul E2) și un foton cu energia hν21 apropiindu-se de acest atom (fig. 6.11, a). Fotonul influenţează electronul de pe nivelul excitat și stimulează trecerea lui pe nivelul fundamental (E1) cu emisia unui foton al cărui energie este egală, de asemenea, cu hν21 (fig. 6.11, b). S-a constatat că fotonul astfel emis este caracterizat de aceiași parametri ca și cel incident: direcţie de propagare, frecvenţă, fază, polarizare. Putem spune că fotonul emis este „clonă” a celui incident. În starea obișnuită a corpurilor majoritatea atomilor se află în stare fundamentală. Dacă pe corp cade un fascicul de fotoni, o parte din ei sunt absorbiţi, atomii trec în stare excitată și, după un timp, emit spontan fotoni în direcţii diverse și cu parametri diferiţi. Are loc împrăștierea luminii, intensitatea fasciculului se micșorează pe măsură ce el parcurge o distanţă mai mare în corp. Datorită duratei mici a vieţii atomilor în stare excitată, emisia stimulată are loc la un număr nesemnificativ de atomi și nu compensează pierderile de fotoni din fascicul în urma absorbţiei. Emisia stimulată ar prevala-o pe cea spontană, dacă atomii s-ar afla timp mai îndelungat în stare excitată. Astfel de stări excitate au fost descoperite, ele fiind numite metastabile și caracterizate de vieţi medii de circa 10–3 s, adică de zeci și sute de mii de ori mai mari decât viaţa medie a atomilor în stări excitate obișnuite. În lasere se utilizează substanţe ale căror particule pot exista în stări de acest fel. Să analizăm funcţionarea laserului cu rubin. Rubinul reprezintă un cristal de oxid de aluminiu Al2O3, în care o parte din atomii de aluminiu (circa 0,05%) sunt înlocuiţi cu atomi de crom (ioni Cr3+), una din stările excitate ale cărora este metastabilă. Notăm cu E1 energia atomului de crom în stare fundamentală și cu E2 și E3, unde E2 < E3, energiile atomului în două stări excitate, dintre care starea cu energia E2 este metastabilă (fig. 6.12). Acest sistem cu trei niveluri se află la baza principiului de funcţionare a unor lasere. Pe un cilindru din rubin (1) este înfășurat un tub spiralat (2) de descărcare electrică în gaz (de obicei, xenon). Bazele cilindrului sunt perpendiculare pe axa lui, una din ele (3) reprezintă o oglindă, iar a doua (4) – o oglindă semitransparentă (fig. 6.13). Distanţa dintre oglinzi este egală cu un număr întreg de semilungimi de undă, astfel încât între ele se formează unde staţionare. Sistemul de oglinzi reprezintă un rezonator optic. Descărcarea electrică a lămpii cu xenon este însoţită de un impuls puternic de lumină, astfel încât o parte din atomii de crom absorb fotoni cu energia hν31 și trec în stare excitată, a cărei energie este egală cu E3 (fig. 6.12). Această fază a funcţionării laserului este numită pompaj optic. Din starea nestabilă cu energia E3 atomul de crom trece în cea cu energia mai mică E2, diferenţa dintre energii (E3 – E2) fiind transmisă
Fig. 6.13
Fig. 6.14
Fig. 6.12
Fig. 6.10
a) b)
Fig. 6.11 a) b)
101
atomilor sub formă de energie cinetică. Ca rezultat, energia internă a crista lului se amplifică, el se încălzește, din care cauză laserele de inten sitate mare sunt prevăzute cu sisteme de răcire. După tranziţia E3 E2 un număr mare de atomi se află în stare meta stabilă și pot să treacă în stare fundamentală. Cristalul este pregătit pentru emisia stimulată și prezintă un mediu activ. Întâmplător, un atom trece din starea metastabilă în cea fundamentală cu emisia unui foton de energie hν21 (fig. 6.12). Deplasându-se prin cristal, acesta provoacă emisia stimulată a unui atom aflat în stare metastabilă. Prin urmare, prin cristal se deplasează doi fotoni cu proprietăţi identice. Ei provoacă apoi emisia stimulată încă a doi fotoni etc. După fiecare etapă, numărul de fotoni se dublează, în cristal se produce o avalanșă de fotoni cu aceiași parametri (fig. 6.14). Dacă avalanșa formează un unghi cu axa cristalului, ea va ieși prin suprafaţa laterală a acestuia și se va întrerupe. Altă situaţie este în cazul avalanșei ce se propagă paralel cu axa cristalului. Oglinzile de la capătul cristalului o reflectă de multe ori, ea parcurge o distanţă mare, numărul de fotoni din avalanșă crescând permanent. Prin oglinda semitransparentă (4) iese un fascicul intens de fotoni (fig. 6.13) – fasciculul laser (5). Laserul cu rubin funcţionează în regim de impulsuri, fiecare fiind iniţiat de descărcarea electrică a lămpii cu xenon. În anii ce au urmat după descoperirea laserului cu rubin au fost construite noi tipuri de lasere: lasere cu gaz care funcţionează în regim continuu, lasere cu semiconductoare și lasere cu coloranţi organici, o particularitate a ultimelor este posibilitatea de a modifica frecvenţa radiaţiei emise. Remarcăm proprietăţile fasciculului laser: – monocromatismul, condiţionat de faptul că undele electromagnetice sunt emise în urma tranziţiei cuantice dintre două niveluri energetice bine deter minate ale atomilor; – coerenţa, care este o proprietate a emisiei stimulate; – direcţionalitatea, adică gradul înalt de paralelism al razelor ce formează fasciculul, este condiţio
nată de amplificarea numai a undelor de lumină ce se propagă perpendicular pe oglinzile rezonatorului optic. Gradul de paralelism poate fi ilustrat prin faptul că un fascicul laser transmis de pe Pământ spre Lună formează pe suprafaţa acesteia un spot luminos cu diametrul de circa 3 km (distanţa Pământ– Lună este de aproximativ 380 000 km); – intensitatea foarte mare. Laserele sunt surse artificiale de lumină cu cea mai mare putere. La unele tipuri de lasere se obţin (pe parcursul unor intervale mici de timp) puteri ale radiaţiei de circa
1014 W/cm2, mult mai mari decât puterea radiaţiei Soarelui – 7 · 103 W/cm2. Aplicaţiile laserelor sunt diverse, unele din ele fiind deja menţionate la începutul temei. Fascicule laser de intensitate foarte mare se utilizează la tăierea, perforarea, sudarea și topirea metalelor, iar prin evaporarea lor în vid se obţin metale de o puritate deosebită. Aceste fascicule se folosesc la transmiterea informaţiei prin fibre optice: printr-un cablu optic pot fi transmise simultan până la un miliard de convor biri telefonice și emisiuni muzicale sau un milion de emisiuni televizate. Laserele sunt folosite în geodezie, unde cu ajutorul lor se măsoară distanţe și unghiuri dintre anumite direcţii, se trasează direcţiile în cazul construcţiilor subterane. Astfel, laserul a fost folosit la construirea canalului de sub strâmtoarea La Manche, canal ce unește Franţa și Marea Britanie. Folosirea laserelor a contribuit la lărgirea cunoștinţelor despre atmosferă și structura suprafeţelor unor planete, determinarea mai exactă a caracteristicilor mișcării lor. Locatoarele cu lasere permit să se stabilească distribuţia impurităţilor în atmosferă în funcţie de înălţime, vitezele curenţilor de aer și componenţa atmosferei. Descoperirea laserelor a condus la apariţia unor domenii noi ale fizicii, ca holografia și optica neliniară. Laserele se utilizează tot mai frecvent în cercetările din domeniul fizicii nucleare, inclusiv la realizarea reacţiei termonucleare dirijate, precum și în tehnică, în viaţa cotidiană.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. În ce constă emisia stimulată a radiaţiei? Prin ce se deosebeşte ea de emisia spontană? 2. Care stări excitate ale atomilor sunt numite meta stabile? Prin ce diferă ele de alte stări excitate? 3. Ce reprezintă sistemul cu trei niveluri?
4. Prin ce este important
cazul hidrogenului nu au fost calculate inten si tă ţile liniilor spectrale, adică nu s-a explicat care linii spectrale sunt mai luminoase și care mai întunecate. Toate acestea din cauză că teoria lui Bohr nu este consec ventă în relaţia sa cu fizica clasică. Pe de o parte, este folosit principiul fundamental al dinamicii, expresiile pentru acceleraţia centripetă și energia cine
tică, pe de altă parte, este contestată aplicabilitatea electrodinamicii lui Maxwell în lumea atomilor. Din această cauză teoria lui Bohr este considerată o teorie de tranziţie: semiclasică sau semicuantică. În anii ’20 ai secolului trecut a fost elaborată mecanica cuantică modernă care explică toate problemele ce nu și-au găsit soluţionarea în teoria lui Bohr.
primele litere ale expresiei Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei. Pentru a expune principiul de funcţionare a genera toarelor cuantice, vom analiza, mai întâi, procesele de absorbţie și de emisie a fotonilor (undelor electro magnetice) de către atomi. În conformitate cu postulatul al doilea al lui Bohr (tema 6.3, a), aceste procese se produc la trecerea electronului de pe un nivel energetic pe altul (fig. 6.4). Aici vom reprezenta în figuri starea sistemului până la tranziţia din- tr-o stare în alta și după aceasta (fig. 6.9–6.11, unde electronul este repre zentat printr-un punct negru). Notăm cu E1 energia nivelului fundamental și cu E2 energia unui nivel excitat (E2 > E1). Tranziţiei cuantice, între aceste niveluri, îi corespunde fotonul cu energia hν21 = E2 – E1. Dacă atomul se află în starea cu energia E1 (electronul pe nivelul E1) și asupra lui cade un foton cu energia hν21 (fig. 6.9, a), atomul absoarbe fotonul și trece în starea cu energia E2 (fig. 6.9, b).
100
Atomul în stare excitată (E2) este instabil, are o viaţă medie de ordinul 10–8 s. El trece spontan, fără vreo influenţă din exterior, în starea fundamentală (E1) și emite un foton cu energia hν21 (fig. 6.10, a, b). Aceasta este emisia spontană a radiaţiei. Diferiţi atomi excitaţi emit spontan, independent unul de altul, fotoni între care nu există nicio concordanţă cât privește direcţia de propa gare, faza oscilaţiilor sau polarizarea. Situaţia dată se realizează în sursele obișnuite de lumină necoerentă. În anul 1917, Albert Einstein a argumentat existenţa unei alte modalităţi de emisie a radiaţiei – emisia stimulată (indusă). Să analizăm un atom excitat (electronul pe nivelul E2) și un foton cu energia hν21 apropiindu-se de acest atom (fig. 6.11, a). Fotonul influenţează electronul de pe nivelul excitat și stimulează trecerea lui pe nivelul fundamental (E1) cu emisia unui foton al cărui energie este egală, de asemenea, cu hν21 (fig. 6.11, b). S-a constatat că fotonul astfel emis este caracterizat de aceiași parametri ca și cel incident: direcţie de propagare, frecvenţă, fază, polarizare. Putem spune că fotonul emis este „clonă” a celui incident. În starea obișnuită a corpurilor majoritatea atomilor se află în stare fundamentală. Dacă pe corp cade un fascicul de fotoni, o parte din ei sunt absorbiţi, atomii trec în stare excitată și, după un timp, emit spontan fotoni în direcţii diverse și cu parametri diferiţi. Are loc împrăștierea luminii, intensitatea fasciculului se micșorează pe măsură ce el parcurge o distanţă mai mare în corp. Datorită duratei mici a vieţii atomilor în stare excitată, emisia stimulată are loc la un număr nesemnificativ de atomi și nu compensează pierderile de fotoni din fascicul în urma absorbţiei. Emisia stimulată ar prevala-o pe cea spontană, dacă atomii s-ar afla timp mai îndelungat în stare excitată. Astfel de stări excitate au fost descoperite, ele fiind numite metastabile și caracterizate de vieţi medii de circa 10–3 s, adică de zeci și sute de mii de ori mai mari decât viaţa medie a atomilor în stări excitate obișnuite. În lasere se utilizează substanţe ale căror particule pot exista în stări de acest fel. Să analizăm funcţionarea laserului cu rubin. Rubinul reprezintă un cristal de oxid de aluminiu Al2O3, în care o parte din atomii de aluminiu (circa 0,05%) sunt înlocuiţi cu atomi de crom (ioni Cr3+), una din stările excitate ale cărora este metastabilă. Notăm cu E1 energia atomului de crom în stare fundamentală și cu E2 și E3, unde E2 < E3, energiile atomului în două stări excitate, dintre care starea cu energia E2 este metastabilă (fig. 6.12). Acest sistem cu trei niveluri se află la baza principiului de funcţionare a unor lasere. Pe un cilindru din rubin (1) este înfășurat un tub spiralat (2) de descărcare electrică în gaz (de obicei, xenon). Bazele cilindrului sunt perpendiculare pe axa lui, una din ele (3) reprezintă o oglindă, iar a doua (4) – o oglindă semitransparentă (fig. 6.13). Distanţa dintre oglinzi este egală cu un număr întreg de semilungimi de undă, astfel încât între ele se formează unde staţionare. Sistemul de oglinzi reprezintă un rezonator optic. Descărcarea electrică a lămpii cu xenon este însoţită de un impuls puternic de lumină, astfel încât o parte din atomii de crom absorb fotoni cu energia hν31 și trec în stare excitată, a cărei energie este egală cu E3 (fig. 6.12). Această fază a funcţionării laserului este numită pompaj optic. Din starea nestabilă cu energia E3 atomul de crom trece în cea cu energia mai mică E2, diferenţa dintre energii (E3 – E2) fiind transmisă
Fig. 6.13
Fig. 6.14
Fig. 6.12
Fig. 6.10
a) b)
Fig. 6.11 a) b)
101
atomilor sub formă de energie cinetică. Ca rezultat, energia internă a crista lului se amplifică, el se încălzește, din care cauză laserele de inten sitate mare sunt prevăzute cu sisteme de răcire. După tranziţia E3 E2 un număr mare de atomi se află în stare meta stabilă și pot să treacă în stare fundamentală. Cristalul este pregătit pentru emisia stimulată și prezintă un mediu activ. Întâmplător, un atom trece din starea metastabilă în cea fundamentală cu emisia unui foton de energie hν21 (fig. 6.12). Deplasându-se prin cristal, acesta provoacă emisia stimulată a unui atom aflat în stare metastabilă. Prin urmare, prin cristal se deplasează doi fotoni cu proprietăţi identice. Ei provoacă apoi emisia stimulată încă a doi fotoni etc. După fiecare etapă, numărul de fotoni se dublează, în cristal se produce o avalanșă de fotoni cu aceiași parametri (fig. 6.14). Dacă avalanșa formează un unghi cu axa cristalului, ea va ieși prin suprafaţa laterală a acestuia și se va întrerupe. Altă situaţie este în cazul avalanșei ce se propagă paralel cu axa cristalului. Oglinzile de la capătul cristalului o reflectă de multe ori, ea parcurge o distanţă mare, numărul de fotoni din avalanșă crescând permanent. Prin oglinda semitransparentă (4) iese un fascicul intens de fotoni (fig. 6.13) – fasciculul laser (5). Laserul cu rubin funcţionează în regim de impulsuri, fiecare fiind iniţiat de descărcarea electrică a lămpii cu xenon. În anii ce au urmat după descoperirea laserului cu rubin au fost construite noi tipuri de lasere: lasere cu gaz care funcţionează în regim continuu, lasere cu semiconductoare și lasere cu coloranţi organici, o particularitate a ultimelor este posibilitatea de a modifica frecvenţa radiaţiei emise. Remarcăm proprietăţile fasciculului laser: – monocromatismul, condiţionat de faptul că undele electromagnetice sunt emise în urma tranziţiei cuantice dintre două niveluri energetice bine deter minate ale atomilor; – coerenţa, care este o proprietate a emisiei stimulate; – direcţionalitatea, adică gradul înalt de paralelism al razelor ce formează fasciculul, este condiţio
nată de amplificarea numai a undelor de lumină ce se propagă perpendicular pe oglinzile rezonatorului optic. Gradul de paralelism poate fi ilustrat prin faptul că un fascicul laser transmis de pe Pământ spre Lună formează pe suprafaţa acesteia un spot luminos cu diametrul de circa 3 km (distanţa Pământ– Lună este de aproximativ 380 000 km); – intensitatea foarte mare. Laserele sunt surse artificiale de lumină cu cea mai mare putere. La unele tipuri de lasere se obţin (pe parcursul unor intervale mici de timp) puteri ale radiaţiei de circa
1014 W/cm2, mult mai mari decât puterea radiaţiei Soarelui – 7 · 103 W/cm2. Aplicaţiile laserelor sunt diverse, unele din ele fiind deja menţionate la începutul temei. Fascicule laser de intensitate foarte mare se utilizează la tăierea, perforarea, sudarea și topirea metalelor, iar prin evaporarea lor în vid se obţin metale de o puritate deosebită. Aceste fascicule se folosesc la transmiterea informaţiei prin fibre optice: printr-un cablu optic pot fi transmise simultan până la un miliard de convor biri telefonice și emisiuni muzicale sau un milion de emisiuni televizate. Laserele sunt folosite în geodezie, unde cu ajutorul lor se măsoară distanţe și unghiuri dintre anumite direcţii, se trasează direcţiile în cazul construcţiilor subterane. Astfel, laserul a fost folosit la construirea canalului de sub strâmtoarea La Manche, canal ce unește Franţa și Marea Britanie. Folosirea laserelor a contribuit la lărgirea cunoștinţelor despre atmosferă și structura suprafeţelor unor planete, determinarea mai exactă a caracteristicilor mișcării lor. Locatoarele cu lasere permit să se stabilească distribuţia impurităţilor în atmosferă în funcţie de înălţime, vitezele curenţilor de aer și componenţa atmosferei. Descoperirea laserelor a condus la apariţia unor domenii noi ale fizicii, ca holografia și optica neliniară. Laserele se utilizează tot mai frecvent în cercetările din domeniul fizicii nucleare, inclusiv la realizarea reacţiei termonucleare dirijate, precum și în tehnică, în viaţa cotidiană.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. În ce constă emisia stimulată a radiaţiei? Prin ce se deosebeşte ea de emisia spontană? 2. Care stări excitate ale atomilor sunt numite meta stabile? Prin ce diferă ele de alte stări excitate? 3. Ce reprezintă sistemul cu trei niveluri?
4. Prin ce este important
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu