Вынужденное излучение, устройство и принцип действия лазера, свойства и применение лазерного излучения, типы лазеров презентация

применение лазерного излучения, типы лазеров
Резонансная спектроскопия
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР, ПМР)
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР)
Ядерный гамма-резонанс (ЯГР, спектры Мёссбауэра)

что при К<0 (нонсенс!) Iпр должна увеличиваться по сравнению с I0; т.е. вместо ослабления света, прошедшего через среду, он будет усиливаться. Им был сделан вывод о существовании 2 механизмов излучения:
1 –спонтанного,
2 – вынужденного.
П. Дирак (1927), В. Фабрикант (1940), Ч.Таунс, А.Прохоров, Н.Басов(1953-1964)
К=N0σ при N0>>N1, а если возбужденное состояние заселено значительно (мощное возбуждение), должно быть строгое выражение для
К=(N0-N1)σ, т.е. при N1 >N0- возникает «отрицательное поглощение» или вынужденное излучение

при N1 ≠0 и отсутствии внешнего поля – спонтанное излучение, в) при N1 >N0 и наличии внешнего поля - вынужденное излучение.
в) Состояние при N1 >N0 : неравновесное состояние – состояние с инверсной населенностью уровней, К=(N0-N1)σ=[(hνB01(N0-N1))/c]<0 – отрицательный показатель поглощения;
К=(hνB10(N1 - N0))/c → коэффициент усиления, B10 - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения. (B10 = B01 g0/g1, где g0и g1 – статистические веса уровней
Вынужденное излучение неотличимо от вынуждающего излучения: имеет ту же частоту (длину волны), фазу (постоянный сдвиг фаз), поляризацию, направление – эти свойства характерны для лазерного излучения – усиленного вынужденного излучения, оно монохроматично и строго когерентно вынуждающему.

amplification by stimulated emission of radiation

Основные компоненты лазера:
1.Активная среда – среда с инверсной населенностью – необходима для преобладания вынужденного излучения над спонтанным.
2.Система накачки активной среды -устройство для поддержания инверсной (неравновесной) населенности (оптическая, газовый разряд, эл-ческий ток в ПП и т.д.; инверсия создается при взаимодействии системы накачки с 3 или 4 уровневой молекулярной системой) (Басов Н.Г. 1964 г. Ноб.Пр.) (на рис.: схема переходов в рубиновом лазере: Al2O3+Cr3+, уровни Cr3+, 3-уровн.схема: kсп=107, kби=1011с-1, N2>N1) (Т.Мейман)
3.Обратная связь – оптический резонатор: устройство, выделяющее направление пучка вынужденных фотонов: усиливается излучение, направление которого нормально к поверхности зеркал - система параллельных зеркал (глухое и полупрозрачное), между которыми возникает стоячая волна, т.е. укладывается целое число полуволн: происходит устранение потерь. (Прохоров А.М. 1964 г., Ноб.Пр.)

мощность
Неодимовый - YAG:Nd (λ=1064 нм + гармоники –
532 нм, 355 нм, 266 нм и т.д.)
Газовые:
Гелий-неоновый (рис.): He(130 Па)+Ne(13 Па), непрерывный, λ=633 нм, А.Джаван, 1961, (1963 в Томске: И.И.Муравьев)
Эксиплексный Хе*Сl (лазер на плотных газах), (1:0.001), λ=308 нм, легко создать инверсию, высокие выходные энергии

(Инверсия за счет высоких токов через p-n переход: 3-10 кА/см2).
Лазеры на красителях: 1960. λ=340 - 900 нм, широкая область перестройки (Δλ=20-50 нм ). (Инверсия за счет внутримолекулярных процессов в сложных молекулах: 2 – флуоресценция, 3 – генерация вынужденного излучения).

Высокая направленность (расходимость до 10-3 мрад),
3. Высокая монохроматичность (узкая полоса Δλ=0.001 см-1)
4. Высокая когерентность – временная и пространственная (одинаковая частота, фаза, поляризация, направление излучения, т.е. малая расходимость):

химия
4.Интерферометрия
5. Голография
6. Волоконная оптика, приборостроение
7. Лазерный термоядерный синтез, лазерное разделение изотопов (использование высокой мощности и узкой линии)
8. Технологические процессы (сварка, резка, плавка металлов, маркировка изделий)
9. Медицина (лазерная хирургия, лазеротерапия)
10. Нелинейная оптика

Литература:
Трофимова Т.И. Оптика и атомная физика: законы, проблемы, задачи. М. «Высшая школа» 1999. (с.238-244).

собственного суммарного магнитного момента ядер (I) атомов и электронов (S), входящих в молекулу (спинов), с внешним магнитным полем Н, в результате которого наблюдается расщепление энергетических уровней на (2I+1) или (2S+1) компоненту (эффект Зеемана) – верхний рис.
При дальнейшем наложении на вещество электромагнитного поля (нижний рис.), энергия квантов которого совпадает с энергетическим расщеплением ΔЕ=hν, образованным под действием магнитного поля, возникает спектр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или спектр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Δm, Δs = ±1
Для всех ли молекул можно получить спектры ЯМР и ЭПР?

нуля полного спина ядра - I (I≠0: ЯМР) либо суммарного спина всех входящих в систему электронов - S (S≠0: ЭПР).
Т.о., спектры ЯМР можно получить для ядер с четным массовым числом и нечетным порядковым номером (I=1, 2…) N147,Br8035 , Re18675 …, либо с нечетным массовым числом при любом порядковом номере (I=1/2, 3/2...): Н1, C13 , F19 , О17и т.д. (Для протонов – ПМР, I=1/2)
Спектры ЭПР существуют для частиц, имеющих неспаренные электроны (радикалы (S=1/2), триплетно-возбужденные молекулы (S=1), ионы переходных металлов и их соединения (S=1/2, 1, 3/2 ...).

–индукция, μ- магнитная восприимчивость)
μ -магнитный момент ядра водорода (квантуется, т.е. принимает определенные значения в магн. поле, μ=gβI), g – ядерный g-фактор; β-ядерный магнетон, I=1/2 – спин ядра атома водорода,
Число расщепленных подуровней n=2I+1: определяется магнитным квантовым числом m, которое изменяется от I до -I = ±1/2,
Еα=-μН: энергия при магнитном моменте, ориентированном по полю (m=1/2), стабилизируется
Еβ =+μН: энергия при магн. моменте, ориентированном против поля (m=-1/2), - дестабилизируется.
Энергия эл-магн. поля квантуется, т.е. ΔЕ=hν=2(μ×Н)
Если облучать эту систему излучением с частотой ν, осуществляется (Еα - Еβ)=ΔЕ=hν - переход, т.е. переориентация магнитных моментов – спинов относительно поля:
Правила отбора: Δm=±1 (обычно Н=10 КГс=104 Эрстед –большие величины, т.е. ν=40-43 МГц для ПМР). Верхние уровни должны расселяться за счет спин-спинового и спин-решеточного взаимодействия, т.е. можно изучать конденсированные среды.
На практике для получения спектра ν фиксируют (40-50 МГц),
Н (или В)– сканируют: (0.34-1.25)104 Эрстед.

структуре?)

Напряженность магнитного поля меняется от электронного окружения, которое экранирует ядро по-разному в зависимости от его положения в молекуле, т.е. ядро находится в поле НN : в молекуле этанола (рис.) наименее экранирован протон ОН группы (связь слабее), наиболее - протоны в СН3 группе этанола.
НN =Н0(1-σ ),
σ =(Н0 - НN)/Н0 - постоянная экранирования, показывает насколько НN< Н0 , где Н0 напряженность внешнего поля.
Чем σ больше, тем меньше НN , тем при больших Н0 проявляется ПМР сигнал. Чем больше в группе протонов, тем выше интенсивность ПМР сигнала (рис.): протоны СН3 проявляются при больших Н0, чем ОН.
Т.к. с меньшей погрешностью измеряются разности напряженностей магнитного поля: выбирается стандарт – молекула, протон в которой сильно экранирован: Si(CH3)4 – ТМС, для нее измеряется тщательно спектр, т.е. определяется σст и Нст и сдвиг сигнала ПМР - δ
НNст=Н0(1- σст),
НNх=Н0(1- σх),
(НNх-НNст)/Н0=δ=(σст- σх)=(νх-νст )/(ν0), Н=ΔЕ=hν
где δ=(νх-νст )/(ν0)×106 м.д., - химический сдвиг сигнала νх относительно известного стандарта νст , ν0 – рабочая частота внешнего электромагнитного поля.

νх возрастает в сторону слабого поля: чем больше сдвиг, тем менее экранирован протон - δ-шкала
τ =(10-δ), (νст =10), сдвиг убывает в сторону слабого поля – τ-шкала
Абсцисса – хим.сдвиг в м.д.
Ордината – интенс. в отн.ед. пропорц. числу протонов в группе

42-43 МГц.
ΔН:=10 КГс=1Т=104 Эрстед

Исследуемые образцы: жидкости, твердые тела.
Протоны в кислотных группах и Н-связях экранированы менее всего (наибольший δ=
7 – 9 - 13).
Наиболее экранированы протоны в метильных и метиленовых группах алифатических цепочек (наименьший δ=1).

в1946 г.– ЯМР-эффект – в США (Ф.Блох и Э.Парсель).
Эффект обусловлен взаимодействием спина электрона с внешним магнитным полем (условие получения спектров ЭПР: наличие неспаренных электронов - суммарный электронный спин отличен от 0!).
ΔЕ вз=-2(μе×Н)=g×μБ×Н=hν; μе=-g×μБ ms; (стабилизируется состояние со спином, сориентированным против поля: ms=-1/2 – из-за отрицательного заряда электрона). Число проекций =2S+1: S=1/2 – радикал, S=1 – триплетное состояние.
Правила отбора: Δms=±1
μБ – магнетон Бора=еh/(2mc)=9.27⋅10-24 А М2 =103β, т.е. спектр находится в более коротковолновой по сравнению с ЯМР (микроволновой) области (Ггц, фиксируем ν, сканируем Н в области 0.34-1.25 104 Эрстед.
g-отношение полного магнитного момента электрона к спиновому моменту - спектроскопический фактор расщепления, g-фактор Ланде, характеризует состояние неспаренного электрона в молекуле, т.е. связан со структурой: уменьшается при увеличении спинового момента. Измеряя Н, при заданном ν, определяем g.

изменение g во 2-3 знаке, зависит от спин-орбитального взаимодействия (возрастает при наличии «тяжелых» атомов, для переходных металлов - g=1.35-6.5).
Электрон в молекуле движется в локальном поле: Нлок=Нвнешн ± Ннавед, т.е. g уменьшается (по сравнению со свободным электроном) при ослаблении поля в молекуле (для достижения резонанса Нвнешн должно быть больше) и увеличивается при усилении поля (для достижения резонанса Нвнешн должно быть меньше). Это отражает структуру молекул, с которой связана величина наведенного спин-орбитальным взаимодействием поля Нлок.
Т.о., g-фактор –аналог постоянной экранирования и хим.сдвига в ПМР
Спектры ЭПР представляются в дифференцированной форме (рис.)

ближайшего ядра: I – спин ядра, поэтому энергетические уровни электрона во внешнем магнитном поле дополнительно расщепляются на 2I+1 компоненту (пример – атом водорода (рис.):
Е=msΔЕ=g×μБ×Н×ms+A×ms×mI, где msи mI квант. числа проекц.спина электрона и ядра, А – постоянная сверхтонкого взаимодействия – характеризует степень взаимодействия электронных и ядерных спинов, т.е. близость е- к ядру: при I=1/2, А/2= ±g×μБ×Н.
Правила отбора: ΔmI=0, Δms=±1, отсюда дублет в спектре: hν=ΔЕ= g×μБ×Н±А/2.
Если 2 разных ядра – возникает квартет, если 2 одинаковых – триплет с разными интенсивностями и.т.д.

Т= (0.34-1.25)104 Эрстед
Исследуемые образцы – жидкость, замороженные растворы, кристаллы, порошки.
1.Определяется природа возбужденного состояния (Т)
2.Изучаются химические реакции (проявление радикалов)
3.Определяют природу и локализацию электронов в сложных молекулах, ПП, кристаллических решетках
4.Определяется природа и структура парамагнитных ионов (по величине g и А)

взаимодействии квадрупольного момента ядра с градиентом распределения электронной плотности, окружающей ядро: надо, чтобы магнитный момент µN, спин I и квадрупольный момент ядра еQ отличались от 0.
еQ – ядерный электрический квадрупольный момент ≠0 при отклонении распределения электрического заряда в ядре от сферической симметрии и I>1 (B,N,Cl,Br и т.д.). В некоторых кристаллах имеется большой градиент напряженности электрического поля вблизи ядра, для которого еQ≠0, при этом наблюдается взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным электрическим полем (Евз=A=qe2Q), в результате чего уровни расщепляются. При наложении внешнего поля в радиочастотной области (0.01 – 50 МГц) происходят переходы, возникает спектр ЯКР.
Обычно еQ известны, из спектров определяют eq, т.е. параметры градиента электронной плотности, что важно для теории химических реакций: как правило, в случае ионной связи А мала: SiCl; при ковалентной связи А увеличивается: CCl3, NCl.