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

1. Лекция 4 (22.03.2016)

1.
Вынужденное излучение, устройство и
принцип действия лазера, свойства и
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)

2. Вынужденное излучение, отрицательное поглощение

Вынужденное излучение,• I =I -I Kl=I e-Kl
пр 0 0
0
отрицательное поглощение
• Эйнштейн, работая над теорией
излучения (1916), обратил внимание,
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=N0 при N0>>N1, а если
возбужденное состояние заселено
значительно (мощное возбуждение),
должно быть строгое выражение для
• К=(N0-N1) , т.е. при N1 >N0- возникает
«отрицательное поглощение»
или вынужденное излучение

3. Вынужденное излучение

а) При N1<<N0 и наличии внешнего поля – поглощение, б) 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) =[(h B01(N0-N1))/c]<0 –
отрицательный показатель поглощения;
К=(h B10(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.

4. Принцип действия оптического квантового генератора – лазера – laser – light amplification by stimulated emission of radiation

Принцип действия оптического
квантового генератора – лазера –
laser – light 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.)

5. Типы лазеров

• Твердотельные: (Рубиновый
лазер: Al2O3+Cr3+, =694 нм,
Т.Мейман, 1960), высокая
мощность
• Неодимовый - YAG:Nd
( =1064 нм + гармоники –
• 532 нм, 355 нм, 266 нм и
т.д.)
• Газовые:
• Гелий-неоновый (рис.):
He(130 Па)+Ne(13 Па),
непрерывный, =633 нм,
А.Джаван, 1961, (1963 в
Томске: И.И.Муравьев)
• Эксиплексный Хе*Сl (лазер
на плотных газах),
(1:0.001), =308 нм, легко
создать инверсию, высокие
выходные энергии

6. Типы лазеров

Полупроводниковые (диодные): GaAs, =837 нм, малогабаритный, но
маломощный, высокая расходимость. (Инверсия за счет высоких токов через
p-n переход: 3-10 кА/см2).
Лазеры на красителях: 1960. =340 - 900 нм, широкая область перестройки
( =20-50 нм ). (Инверсия за счет внутримолекулярных процессов в сложных
молекулах: 2 – флуоресценция, 3 – генерация вынужденного излучения).

7. Cвойства лазерного излучения

• 1. Высокая интенсивность (до 108 Дж/с см2,
ГВт/см2),
• 2. Высокая направленность (расходимость
до 10-3 мрад),
• 3. Высокая монохроматичность (узкая
полоса =0.001 см-1)
• 4. Высокая когерентность – временная и
пространственная (одинаковая частота,
фаза, поляризация, направление
излучения, т.е. малая расходимость):

8. Применение лазеров

• 1. Спектроскопия комбинационного рассеяния
• 2.Внутрирезонаторная спектроскопия с высоким
разрешением и чувствительностью
• 3.Лазерная 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).

9. Физика явления магнитного резонанса

Физика явления магнитного • Сущность явления магнитного
резонанса проявляется во
резонанса
взаимодействии 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
Е=h , образованным под
действием магнитного поля,
возникает спектр ядерного
магнитного резонанса (ЯМР) или
спектр электронного
парамагнитного резонанса (ЭПР).
m, s = 1
• Для всех ли молекул можно
получить спектры ЯМР и ЭПР?

10. Физика явления магнитного резонанса

• Условия, необходимые для
возникновения таких спектров:
отличие от 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 ...).

11. Спектры ЯМР (ПМР).

Е вз =( Н)= Н cos( ^Н)
H напряженность магнитного поля (В= H –индукция,
- магнитная восприимчивость)
• -магнитный момент ядра водорода (квантуется,
т.е. принимает определенные значения в магн.
поле, =g I), g – ядерный g-фактор; -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,
• Е =- Н: энергия при магнитном моменте,
ориентированном по полю (m=1/2), стабилизируется
• Е =+ Н: энергия при магн. моменте,
ориентированном против поля (m=-1/2), дестабилизируется.
• Энергия эл-магн. поля квантуется, т.е. Е=h =2( Н)
Если облучать эту систему излучением с частотой
, осуществляется (Е - Е )= Е=h - переход, т.е.
переориентация магнитных моментов – спинов
относительно поля:
• Правила отбора: m= 1 (обычно Н=10 КГс=104
Эрстед –большие величины, т.е. =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 фиксируют (40-50
МГц),
• Н (или В)– сканируют: (0.34-1.25)104 Эрстед.

12. Понятие о постоянной экранирования и химическом сдвиге (как получить данные о 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- ),
=(Н0 - НN)/Н0 - постоянная экранирования,
показывает насколько НN< Н0 , где Н0
напряженность внешнего поля.
• Чем 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 ст и Нст и сдвиг сигнала ПМР -
• НNст=Н0(1- ст),
• НNх=Н0(1- х),
(НNх-НNст)/Н0= =( ст- х)=( х- ст )/( 0), Н= Е=h
где =( х- ст )/( 0) 106 м.д., - химический сдвиг
сигнала х относительно известного стандарта
ст , 0 – рабочая частота внешнего
электромагнитного поля.
Понятие о постоянной
экранирования и химическом
сдвиге
(как получить данные о
структуре?)

13. Химический сдвиг

=[( х - ст )/ 0] 106 м.д.
Сдвиг положительный
(при ст=0) – слабопольный, х
возрастает в сторону слабого
поля: чем больше сдвиг, тем
менее экранирован протон - -
шкала
• =(10- ), ( ст =10), сдвиг
убывает в сторону слабого
поля – -шкала
Абсцисса – хим.сдвиг в м.д.
Ордината – интенс. в отн.ед.
пропорц. числу протонов в группе

14. Химический сдвиг

= =[( х - ст )/ 0]
106 м.д.
Е=h 0 –
радиочастотный
диапазон: 42-43
МГц.
Н:=10 КГс=1Т=104
Эрстед
Исследуемые
образцы:
жидкости, твердые
тела.
Протоны в кислотных
группах и Н-связях
экранированы
менее всего
(наибольший =
7 – 9 - 13).
Наиболее
экранированы
протоны в
метильных и
метиленовых
группах
алифатических
цепочек
(наименьший =1).

15. Спектры ЭПР

Исторически сначала был открыт ЭПР-эффект
(1944 Завойский Е.К., Казань), позже 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!).
Е вз=-2( е Н)=g Б Н=h ; е=-g Б 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: ms= 1
Б – магнетон Бора=еh/(2mc)=9.27 10-24 А М2
=103 , 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, gфактор Ланде, характеризует состояние
неспаренного электрона в молекуле, т.е. связан
со структурой: уменьшается при увеличении
спинового момента. Измеряя Н, при заданном
, определяем g.

16. Спектры ЭПР

• Для свободного электрона g= 2,0023;
в составе молекулы: g Б Нлок=h –
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.)

17. Сверхтонкое расщепление спектров ЭПР

• СТВ обусловлено взаимодействием
спина распаренного электрона и спина
ближайшего ядра: I – спин ядра,
поэтому энергетические уровни
электрона во внешнем магнитном поле
дополнительно расщепляются на 2I+1
компоненту (пример – атом водорода
(рис.):
• Е=ms Е=g Б 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 Б Н.
• Правила отбора: mI=0, ms= 1, отсюда
дублет в спектре: h = Е= g Б Н А/2.
• Если 2 разных ядра – возникает квартет,
если 2 одинаковых – триплет с разными
интенсивностями и.т.д.

18. Техника ЭПР-спектроскопии

Е: 9.5 ГГц; 25 ГГц; 35
ГГц.
Н: 0.34-1.25 Т= (0.341.25)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)

19. Спектры ядерно-квадрупольного резонанса

Эффект ЯКР возникает в отсутствие внешнего магнитного поля при 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.