Свойства лазерных лучей, спонтанное излучение и вынужденное излучение

| 1 октября, 2021 | Физика

Лазер будет усиливать интенсивность светапомощью вынужденного излучения, Существуют различные применения лазера в жизни либо в отрасли прикладной наукитакие как медицина , инженерии и связи или в отрасли фундаментальной наукитакие как химии, физике, биологии и геологии.

Лазерный

В 1960 году американский ученый майман построить первый лазер , используя кристалл хрома — легированный Ruby, потом (He — Ne) лазер был изготовлен вместе с другими типами лазеров , Слово лазер является аббревиатурой усиление света при индуцированном излучении , которое означает усиление интенсивности света за счет стимулированного излучения, что является научной основой работы лазера .

Когда атом находится в основном состоянии (его энергия E 1 ), он будет в нормальном состоянии (стабильном). Когда атом получит фотон энергии (h ν = E n — E 1 ), где (E n = E 2 , E 3 , E 4 ,… ..) атом переходит из основного состояния в одно из состояний с более высокой энергией, и эти состояния называются возбужденными уровнями, а этот процесс называется возбуждением атома.

Возбужденный атом теряет свою энергию возбуждения через очень короткий период времени, называемый временем жизни (около 10 -8 с), и возвращается обратно в свое основное состояние одним из двух способов:

  1. Спонтанное излучение после окончания жизни без внешнего воздействия.
  2. Вынужденное излучение до истечения срока службы в результате падения другого фотона .

Возбуждение атома — это процесс, в котором атом поглощает фотон и переходит из своего основного состояния на один из возбужденных уровней. Время жизни — это период времени, в течение которого атом теряет энергию возбуждения и возвращается в свое нормальное состояние.

Спонтанное излучение

Это происходит, когда возбужденный атом релаксирует из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией по истечении своего времени жизни (около 10 -8 с), атом самопроизвольно испускает без внешнего стимула фотон, его энергия равна разнице между энергиями двух состояний.

Спонтанное излучение: излучение возбужденного атома, когда он самопроизвольно релаксирует с уровня возбуждения на более низкий энергетический уровень после истечения срока его службы без какого-либо внешнего воздействия, Примеры: источники обычного света.

Свойства излучаемых фотонов :

  1. Фотон имеет ту же частоту, что и исходный фотон (который возбуждается атом) , но разные по интенсивности и фаза испускается.
  2. Излучаемые фотоны имеют широкий диапазон длин волн в электромагнитном спектре.
  3. Излучаемые фотоны беспорядочно распространяются во всех направлениях.
  4. Интенсивность фотонов уменьшается во время его распространения, когда интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния согласно закону обратных квадратов.

Вынужденное излучение

Это случается, когда возбужденный атом релаксирует из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией до конца своей жизни из-за падения фотона, его энергия равна разнице между энергиями двух состояний, атом стимулируется испускать фотон в фазе с падающим фотоном .

Вынужденное излучение: испускание излучения возбужденным атомом из-за падения внешнего фотона, имеющего ту же энергию, что и фотон, который его возбудил, и побуждает атом испустить два когерентных фотона (в фазе, с одинаковым направлением и частотой) до его жизни. elapses, Примеры: Источники лазера.

Свойства излучаемых фотонов :

  1. Два когерентных фотона с одинаковой частотой распространяются в одном направлении и с одинаковой фазой.
  2. Испускаемые фотоны имеют одну длину волны (монохроматическую).
  3. Испускаемые фотоны распространяются в одном направлении в виде параллельных лучей.
  4. Интенсивность излучения остается постоянной при распространении на большие расстояния (не подчиняется закону обратных квадратов).

Закон обратных квадратов: интенсивность света, падающего на поверхность, обратно пропорциональна квадрату расстояния между поверхностью и источником света.

Хотя излучение двух фотонов под действием фотона в процессе стимулированного излучения, которое не нарушает закон сохранения энергии , поскольку один из двух фотонов является падающим фотоном, а другой является результатом возвращения электрона обратно с более высокого уровня энергии на более низкий уровень энергии.

Свойства лазерных лучей

Лазерные лучи отличаются от обычных световых лучей, поскольку они возникают в результате вынужденного излучения атомов, тогда как в обычных световых лучах обычным излучением является спонтанное излучение. Это различие отражается на характеристиках каждого, как показано ниже:

Обычный свет

Излучаемые фотоны имеют широкий диапазон длин волн (каждая линия в видимом спектре включает полосу длин волн, поэтому обычный цвет кажется невооруженным глазом имеет разные оттенки), интенсивность света варьируется от одной длины волны к другой, фотоны Обычный свет несовместим как во времени, так и в месте , Они излучаются в разные моменты времени, Они имеют непоследовательную и изменяющуюся фазу.

Интенсивность подчиняется закону обратных квадратов, когда интенсивность излучения, падающего на единицу площади, уменьшается за счет увеличения расстояния между поверхностью и источником, поскольку фотоны распространяются некогерентно . Диаметр светового луча увеличивается во время распространения из-за дисперсии.

Лазерный

Излучаемые фотоны имеют очень узкую полосу пропускания (они излучают одну спектральную линию с очень ограниченной полосой пропускания) . Интенсивность сосредоточена на длине волны этой спектральной линии, поэтому она называется монохроматической.

Фотоны из лазеров последовательны во времени и месте, они исходят от лазера в тот же момент времени, они поддерживают ту же разность фаз при распространении на большие расстояния, Это делает излучение интенсивный и целенаправленный.

Интенсивность не подчиняется закону обратных квадратов, когда интенсивность излучения, падающего на поверхность, постоянна, даже если расстояние между поверхностью и лазером увеличивается из-за когерентности фотонов , поэтому лучи более интенсивны, концентрируются и распространяются на большие расстояния. расстояния без разброса.

Диаметр луча остается постоянным на больших расстояниях во время распространения, когда лазерный луч распространяется в виде параллельных лучей, которые не подвержены рассеянию, и, таким образом, энергия может передаваться без больших потерь.