Московская школа-лаборатория №363 проект 'Синергетика в школе'
Семинары/"Самоорганизация в твердых телах"
  Вернуться в Семинары
 
cкачать в PDF (70 Kb)
4 декабря 2003
10 "А" класс
 

"Лазер как самоорганизующаяся система"

  Дорошева Дарья
 

Свет - это поток испускаемых атомами особых частиц - фотонов, или квантов электромагнитного излучения. Фотоны - это не частицы вещества, а скорее отрезки волн. Каждый фотон несет строго определенную порцию энергии, "выброшенную" атомом. Но чтобы излучать энергию, атом должен иметь некоторый ее запас.

Когда атом находится в возбужденном состоянии (в данном случае имеет избыток энергии), он рано или поздно стремиться перейти в нормальное (стабильное) состояние. При сбросе "лишней" энергии излучается фотон. Атом не всегда сразу переходит с одного энергетического уровня на другой, в этом случае срабатывает другой механизм излучения: излучение произойдет под влиянием пролетающего мимо фотона. Нужно только, чтобы энергия фотона была ровна разности энергий атомных уровней. Вызвавший излучение и излученный фотон абсолютно идентичны, их частоты ровны и фазы одинаковы. Когда они встретятся с новыми двумя возбужденными атомами, фотонов станет 4, потом 8, 16 и т.д. Возникает лавина неотличимых между собой фотонов, образующих монохроматическое (одноцветное) когерентное излучение. Когерентность проявляется в том, что лазерное излучение очень стабильно. Электромагнитная волна, которую генерирует лазер, распространяется на многие километры не изменясь. Ее амплитуда, частота и фаза остаются постоянными очень долго.

Любой лазер в принципе состоит из трех основных элементов:

 
  1. Активная среда - вещество, в котором возникает излучение, имеет форму цилиндра или стержня (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы);
  2. Активное вещество помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал - полупрозрачного переднего и непрозрачного заднего;
  3. Возле активной среды смонтирована система накачки - импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).
 

Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня: E0 - уровень с наименьшей энергией. Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их на более высокий уровень E2, откуда они незамедлительно переходят на уровень Е1. Отражаясь в зеркалах резонатора фотоны многократно проходят через активную среду и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса. Но лампа горит долго, и атомы активной среды за это время успевают много раз сбросить энергию.

Существует такое понятие, как скорость порождения фотонов: n`="прирост"-"потери". Прирост обусловлен стимулированным излучением и равен GNn,
где G - коэффициент, N - число возбужденных атомов, n - число фотонов. Потери обусловлены уходом фотонов через торцы. Скорость ухода пропорциональна n и равна 2xn, где 2х=1/t - время нахождения фотона в лазере.

n`=GNn-2xn

В отсутствии генерации энергии число возбужденных фотонов . При генерации , где - потери за счет рекомбинации, a - коэффициент рекомбинации.


где k - параметр порядка,
При k>0 (генерации нет) или k<0 (лазер испускает стимулированное когерентное излучение). Знак зависит от уровня возбуждения и изменяется при (обычная лампа становится лазером).

Резонатор имеет характеристику, называемую добротностью Q. Она показывает насколько велики потери Р в системе, получившей энергию W: Q пропорционально W/P. Добротность оптических резонаторов очень велика - до 10000000. Это означает, что при каждом отражении от зеркал импульса, возникшего в резонаторе, теряется 1/1000000 часть этой энергии. Но если во время поступления энергии в среду - работа система накачки - одно зеркало перекрыть затвором, добротность резонатора упадет до нуля, и вся энергия лампы накачки станет уходить на возбуждения атомов активной среды. Затвор откроется, когда свечение лампы накачки и, следовательно, количество возбужденных атомов достигнет максимума. Тогда добротность резонатора мгновенно возрастет до максимума, и вся накопленная энергия "выплеснется" в виде очень короткого импульса огромной мощности. Этот вариант работы лазера именуется режимом модуляции добротности или "гигантского импульса".

В докритическом состоянии атомы выпускают короткие световые волны. Критическое состояние возникает, когда подаваемая энергия становится достаточно большой для когерентного излучения. Хаос (в виде цугов световых волн) сменяется порядком, причем параметром порядка служит возникающая когерентная световая волна. Возникает круговая подчиненность: с одной стороны сама световая волна действует, как параметр порядка, подчиняя себе атомы, а с другой - атомы своим вынужденным излучением порождают световой поток.

Итак, лазер - это неустойчивая открытая диссипативная система. В систему непрерывно подается энергия. Существует критическое состояние, в котором излучение лазера становится когерентным, оно характеризуется мощностью накачки. В докритическом состоянии атомы выпускают короткие световые волны. Критическое состояние возникает, когда подаваемая энергия становится достаточно большой для когерентного излучения. Это происходит, когда вся генерируемая энергия поглощается. Возникает самоорганизация. Хаос (в виде коротких цугов световых волн) сменяется порядком, причем одним из параметров порядка служит возникающая когерентная световая волна. Возникает круговая подчиненность (обратная связь): с одной стороны, сама световая волна действует, как параметр порядка, подчиняя себе атомы, а с другой - атомы своим вынужденным излучением порождают световой поток.