Реферат
Москва 2006
Введение
Человек издавна использовал свет в качестве источника сигналов, например маяки, костры и т.п. Еще в те далекие времена он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник (глаз). Определив в качестве модуляции преобразование механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс - демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.
Такая обработка может представлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи.
Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду. В отличие от глаза, современные оптические системы используют в качестве световых приемников технические устройства - фотоэлементы или фотодиоды, позволяющие отслеживать значительные частоты колебаний.
Физические параметры света
Известно, что свет объединяет в себе два свойства: корпускулярную природу и типичные свойства волнового процесса, которые представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.
Важным параметром света является его длина волны. Под этим подразумевается расстояние между двумя положительными или отрицательными максимумами последовательности колебаний.
Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его частотой.
Спектры источников света
Чтобы понять различия источников света, которые применяются в качестве передатчиков в устройствах оптической техники связи, остановимся прежде всего на свойствах обычных источников света.
В обычной лампе накаливания не одна, а огромное количество различных длин волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значения области длин волн. Внутри этой области лежит основная доля энергии излучения. Длины волн за пределами этой области изучаются слабо, т.е. являются длинами волн с малыми составляющими мощности. Внутри области излучения (которая в лампе накаливания простирается приблизительно от видимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные длины волн расположены так, что они не различаются измерительными приборами. В этом случае говорят о непрерывном спектре излучаемого света. Который, в свою очередь может стать спектром поглощения, если вырезать участки длин волн из непрерывного спектра излучения.
Для всех волновых процессов наиболее значительно и характерно явление интерференции. Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой фазой, это означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно совпадают, и оба процесса складываются и усиливаются. Однако если между обоими процессами имеется разность фаз или различие по расстоянию точно на половину длинны волны, т. е. совпадает максимум одного колебания с минимумом другого, и оба имеют одинаковую мощность, то процессы гасят друг друга.
Свойство естественных источников света, которые никогда между собой не интерферируют, так как их фазовые состояния постоянно претерпевают случайные и быстрые колебания, называется некогерентностью. Хотя световые лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются электромагнитными колебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и соответственно более высокой частотой, они отличаются от радиоволн именно свойством некогерентности.
Радиопередатчики генерируют когерентное излучение. Положение фазы их колебаний в течение длительного времени настолько постоянно, что приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Без свойства когерентности не могли бы функционировать мощные электрические системы связи.
Одиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и не синхронно, т. е. независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.
Для пояснения обратимся к атомной модели Бора, проложившей новые пути в развитии физики и побудившей ученых к новым исследованиям природы светового излучения. Исходным пунктом для этого был спектральный анализ газов. В газовой трубке с двумя впаянными на концах электродами наблюдалось свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий на определенных расстояниях, т. е. при определенных длинах волн. Расположение этих линий зависело от состава газа, которым была наполнена трубка.
Швейцарский математик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты измеренных спектральных линий описываются следующим простым уравнением:
F = R (1 / n^2 - 1 / m^2)
где n, m - целые числа; R - константа, не зависящая от состава газа, R=3,29*10^15 Гц
Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным квантом излучения. Количественное значение кванта излучения h=6,63*10^-34 BT*c^2 было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретирует энергию светового излучения как целое кратное определенным минимально возможным порциям энергии. Из ранее приведенных рассуждений вытекает знаменитая атомная модель Бора. Вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы - электроны. У водорода - элемента с наиболее простым строением атома - имеется только один электрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.
Если к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть поднят на следующую, более высокую орбиту. Радиусы орбит относятся согласно Бору как квадраты целых чисел, т. е. как 1: 4: 8 и т. д. При этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно соответствующая кванту Планка, тогда начальная орбита Бора остается без электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты не являются для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем возвращается на первоначальную орбиту - прямо или "по ступенькам". И подобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома. Освободившаяся энергия согласно уравнению Планка проявляется как излучение определенных частот.
Лазер как источник светового излучения
Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Прежде всего, различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее "запрещены", т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не совсем буквально).
В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера - в рубиновом лазере.
В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень E1 и состояние E2. Переход с уровня E2 на основной E1, строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне E2 мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне E2 электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях (10^-8 c) это - длительное время.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию E2 свойства накопителя энергии.
Если стержневидный рубиновый кристалл (Al2O3) с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня E1 переносятся в энергетическую зону E2 (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону E3, но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден "накачан"), более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень E2, первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.
С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния E2 в состояние E1 и при этом отдает энергию излучения - сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий E2 и E1 и соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.