Замечания к проведению компьютерного эксперимента

Спонтанное и вынужденное излучение

Согласно квантовой теории, блестяще подтвержденной многочисленными опытами, процесс взаимодействия электромагнитных волн с веществом состоит из трех элементарных актов - поглощения фотонов и их спонтанного или вынужденного излучения.

Порядок работы:

  • В левой части экрана условно изображены три атома, параметры возбуждения которых выбираются случайным образом из базы данных. Плавно увеличивая энергию, сообщаемую атомам, обнаруживаем их первый (затем второй) энергетический уровень, который визуализируется в правой части экрана на схеме уровней. Возбуждаем атомы нажатием кнопки "Разряд". Обращаем внимание на характер излучения выделенного атома (он в центре и неподвижен). Переход в основное состояние может быть самопроизвольным (спонтанное излучение) или вызван фотоном другого атома (вынужденное излучение). Обращаем внимание на различие параметров спонтанного и вынужденного излучения.
  • Нажав кнопку "Модель", перейдем к рассмотрению системы сначала с двумя, затем с тремя уровнями энергии.

Инверсная населенность уровней

В обычном веществе справедливо - чем выше энергия состояния, тем реже встречаются частицы в таком состоянии. Поэтому процесс поглощения фотонов с переводом атомов в возбужденное состояние преобладает над вынужденным излучением, сопровождающим переход в низшее состояние. Как результат, излучение резонансной частоты в среде затухает. Для того, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, надо за счет внешнего источника энергии создать населенность одного из возбужденных состояний более высокую, чем населенность хотя бы одного из состояний с меньшей энергией. Говорят, что надо создать инверсную (обратную) населенность в системе атомов (молекул). Тогда среда становится активной и способна усиливать волны резонансной частоты.

Порядок работы:

  • Плавно увеличивая энергию, сообщаемую атомам, обнаруживаем некоторый энергетический уровень, который визуализируется в правой части экрана на схеме уровней. Синими шариками условно обозначается населенность уровней. Обращаем внимание, что возбужденный уровень является малонаселенным. В средней части экрана средствами анимации иллюстрируется картина поглощения и излучения энергии атомами. При нажатии кнопки "Разряд" будет построен график зависимости интенсивности внешнего светового импульса от пройденного расстояния в возбужденной двухуровневой среде. Видно, как интенсивность света уменьшается,т.к. процесс поглощения фотонов с переводом атомов в возбужденное состояние преобладает над вынужденным излучением.
  • Нажав кнопку "Число уровней", перейдем к рассмотрению системы с тремя уровнями энергии.
  • Производя возбуждение атомов, обнаружим существование не одного, а двух возбужденных уровней, один из которых является долгоживущим, следовательно, на нем могут накапливаться атомы в возбужденном состоянии, создавая тем самым инверсную населенность уровней. При нажатии кнопки "Разряд" строится график зависимости интенсивности внешнего светового импульса от пройденного расстояния в возбужденной трехуровневой среде. Видно, как интенсивность света увеличивается за счет вынужденного излучения атомов. В средней части экрана этот процесс иллюстрируется средствами анимации.
  • При нажатии кнопки "Далее" перейдем к устройству и работе гелий-неонового лазера.

He-Ne лазер

Для работы лазера необходимы:

  1. среда, в которой можно создать инверсную населенность;
  2. источник энергии для перевода частиц в возбужденное метастабильное состояние;
  3. резонатор, обеспечивающий синхронную работу "активных" частиц среды.

Порядок работы:

  • Ознакомьте учащихся со схемой газового лазера:
    1) трубка с активной газовой средой (в данном случае смесь гелия и неона);
    2) зеркала резонатора;
    3) блок питания.
  • Нажатием кнопки "Старт" подайте питание на трубку лазера. Обратите внимание учащихся на то, что без резонатора лазер не начинает генерировать. Нажатием кнопки "Зеркала" создайте резонатор и, изменяя положение правого зеркала с помощью соответствующих кнопок, настройте систему на резонанс, что будет отражено в верхнем левом окне. Как только энергия светового пучка достигнет определенного порога, начнется генерация лазерного излучения.
  • В правой части экрана средствами анимации иллюстрируется процесс резонансного возбуждения атомов неона.
  • Нажатие кнопки "Возврат" приводит к повторному рассмотрению свойств спонтанного и вынужденного излучения.