Светолучевая обработка. Когерентное излучение и условие его получения

Обычный полихроматический свет – набор волн с различной частотой. При распространении любой электромагнитной волны, в том числе и света, в пространстве создается электрическое поле напряженностью E и магнитное поле напряженностью H. Значения этих величин в каждый момент времени t в точке пространстве с координатой x описываются как:

E₀ и М₀ – амплитуды волн

ν -- частота

ϕ -- фаза

λ=с/ν – длинна волны

с – скорость света

Если частота не зависит от времени, то волна монохроматична, если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна когерентна. Получить мощное когерентное световое излучение можно используя для генерации колебаний резонансные свойства отдельных атомов и молекул. Энергия относительного движения частиц, составляющих атом или молекулу, может принимать строго определенные значения энергии (рис. 4.1). Которые называются уровнями энергии, а система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень с минимальной энергией называется основным, а остальные возбужденными. Число атомов обладающих данной энергией называется населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней. Если возбужденный атом самопроизвольно переходит на один из ниже лежащих уровней, то при этом он излучает определенную порцию энергии в виде фотона. Если происходит переход с уровня с высокого уровня на низкий (рис. 4.1), то частота излучаемого фотона будет выражаться как:

Постоянная Планка h= 6.625*10^-34 , Дж*с

Такие процессы происходят в нагретых телах. Кванты свет хаотические испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени, а поэтому спонтанное излучение не когерентно. Кроме спонтанного излучения может происходить индуцированное (вынужденное) излучение, для которого необходимо:

· Резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот энергетического спектра атома. При этом переход с верхнего уровня на нижний уровень будет соответствовать переходу между теми же уровнями других атомов

· Одновременно с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне, происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне. При этом атом, переходя на более высокий уровень, поглощает световой квант, что препятствует генерации. Для генерации когерентного света необходимо чтобы из двух выбранных уровней верхний был населен больше чем нижний. Что для естественных условий не выполнимо. Такое состояние вещества называется активным или состоянием с инверсной населенностью

· В процессе генерации часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новых атомов. Это требование выполняется при помощи зеркал. Одно из которых отражает всю падающую на него энергию, а второе является полупрозрачным, часть энергии оно пропускает (полезная энергия), а часть отражает

· Усиление даваемое рабочим веществом должно превышать некоторое пороговое значение, зависящая от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала. Иначе колебание в рабочем веществе затухнет