Лазер излучает импульс световых квантов

Лазер излучает импульс световых квантов

№10 Октябрь 2018

Журнал добавлен в корзину.

НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ 2005 ГОДА. КВАНТОВАЯ ОПТИКА И СВЕРХТОЧНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Нобелевская премия по физике 2005 года присуждена исследователям, работающим в области оптики и лазерной техники: Рою Глауберу (США) — «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности», Джону Холлу (США) и Теодору Хэншу (Германия) — «за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности — за методы комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне».

В 1900 году немецкий физик Макс Планк создал теорию теплового излучения, предположив, что оно состоит из потока отдельных частиц, квантов, впоследствии названных фотонами. Так было установлено, что свет имеет двойственную природу: это и набор волн, и поток частиц. Корпускулярные и волновые свойства света проявляются только поврозь, в разных эффектах и явлениях.

В 1963 году Рой Глаубер (Roy J. Glauber) обнародовал разработанный им метод квантования электромагнитного поля для расчета структуры светового поля. В силу квантовой природы излучения состояние светового поля можно определить только статистически — излучение носит «случайный» характер: световые кванты, фотоны, имеют разную длину волны и движутся не в фазе (когерентный лазерный свет свободен от этих недостатков).

Микроструктура светового поля определяется бесконечным числом параметров, точное описание которых дать невозможно. Поэтому на практике можно исследовать только частные характеристики светового поля. Простейшие характеристики поля — его спектр и среднюю интенсивность — легко находят из опытов. Флуктуации поля (отклонения его интенсивности от средней величины), то есть пространственно-временнoе распределение его интенсивности, измеряют одним детектором. Еще более полную информацию дает одновременная регистрация фотонов несколькими приемниками. Они дают картину, которую описывают так называемые корреляционные функции — одно из основных понятий в созданной Р. Глаубером квантовой оптике.

Методы квантовой оптики позволяют исследовать тонкие детали межмолекулярных взаимодействий по изменению показаний фотоприемников при рассеянии света в среде.

НОВЫЙ ЭТАЛОН — ЧАСТОТНАЯ ГРЕБЕНКА

Лазер давно стал незаменимым инструментом для точных измерений. Этому способствуют высокая стабильность лазерного излучения и его монохроматичность, то есть очень узкая частотная полоса излучения, практически — излучение почти одной частоты.

Однако Дж. Холл и Теодор Хэнш (John L. Hall, Theodor W. Hansch) в своих работах показали, что для достижения сверхвысокой точности, напротив, нужен лазер, излучающий огромное число когерентных частот (мод). При их сложении образуется импульс, длительность которого тем меньше, чем больше частот участвует в его образовании. Чтобы получить импульс длительностью 5 фемтосекунд (5·10 -15 с), нужно сложить миллион частот, перекрывающих большую часть диапазона видимого света. Их спектр образуют своего рода «гребенку», с «зубьями», соответствующими отдельным частотам.

В результате между зеркалами лазерного резонатора, возникают короткие световые импульсы. Часть света выходит через полупрозрачное зеркало, образуя своего рода «линейку» с делениями в виде сверхкоротких импульсов. Т. Хэнш разработал и продемонстрировал такой режим работы лазера в 1970-х годах, а отечественный исследователь из Новосибирска В. Чеботарев подтвердил его эксперименты.

Однако реальный прорыв в повышении точности измерений произошел в 1999 году, когда лазеры со сверхузкими импульсами потребовались для измерения оптических частот атомных часов, работающих на атомах цезия.

Если измеряемая частота совпадает с одним из «зубьев» спектральной гребенки, то она определяется однозначно. Здесь есть, однако, одна сложность: как найти ее величину, если весь спектр импульса смещается по частоте случайным образом?

Эту задачу решил Джон Холл с сотрудниками в 2000 году. Он показал, что если в «гребенке» наивысшая частота в два раза больше низшей, то искомая частота f может быть найдена простым вычитанием частот:

где f — частота ближайшего «зуба» спектра импульса.

Если спектр недостаточно широк, его можно «растянуть», пропустив импульс через нелинейный кристалл, производящий удвоение частоты.

Разработанная исследователями методика позволяет с невиданной ранее точностью измерить частоты излучений, испускаемых атомами. Особый интерес в этом отношении представляют атомы водорода и антиводорода, которые уже умеют получать и хранить в достаточном количестве. Если окажется, что излучение материи и антиматерии хоть немного различается по частоте, это будет означать, что «антимир» не вполне идентичен нашему миру. Тогда придется пересмотреть не только основные положения физики элементарных частиц, но и космологические модели, а также попытаться отыскать галактики из антиматерии по особенностям их излучения.

Тесты_3 (ОптАт)

22. Зачерненная пластинка помещена перпендикулярно падающим лучам в вакууме. Если температура пластинки установилась равной 327°С, то лучистая энергия, поглощаемая 1 см 2 поверхности пластинки в 1 мин, равна (Дж)

23*. На поверхности Земли перпендикулярно солнечным лучам лежит зачерненная пластинка. Если Т – температура Солнца, R – радиус Солнца, l – расстояние от Земли до Солнца, то установившаяся температура пластинки равна ( σ – постоянная Стефана-Больцмана)

24*. Солнечная постоянная равна 1370 Дж/м 2 · с. Если считать, что все солнечное излучение, падающее на Землю, ею поглощается, то за счет этого масса Земли ежесекундно увеличивается на (кг)

25. Если длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости уменьшилась на 580 нм при увеличении температуры абсолютно черного тела в 2 раза, то начальная и конечная температуры были соответственно равны (К)

26. Мощность излучения Солнца равна 3,9·10 26 Вт. Масса, теряемая Солнцем за одну секунду вследствие излучения, равна (кг)

27. Мощности излучения двух абсолютно черных шаров радиусами R 1 и R 2 одинаковы, причем температура первого шара составляет 2/3 от температуры второго. Если R 1 = 1 см, то R 2 равен (см)

28. По зачерненной пластинке длиной 2 см и шириной 1 см проходит электрический ток. Напряжение на концах пластинки 2 В. Если после установления теплового равновесия температура пластинки составила 1000 К, то сила тока равна (А)

29. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела в зависимости от частоты излучения для температур Т 1 и Т 2 (Т 2 > Т 1 ) верно представлено на рисунке…

30. На рисунке представлены графики зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины

соответствует r λ, Т

31. Абсолютно черное тело – это тело…

1) поглощающее все излучение, падающее на него

2) абсолютно черного цвета

3) рассеивающее все излучение, падающее на него

4) не излучающее электромагнитные волны

32. На рисунке показаны кривые

энергетической светимости абсолютно

черного тела от длины волны при

температуре 1450 К, то кривая 1

соответствует температуре (в К)

2.2 Фотоны. Давление света. Фотоэффект. Эффект Комптона

1. Масса фотона может быть оценена из соотношения

2. Лазер мощностью Р испускает N фотонов за 1 секунду. Длина

волны излучения лазера равна

3. Сетчатка глаза начинает реагировать на желтый свет с длиной волны 600 нм при мощности падающего на нее излучения 1,98·10 -18 Вт. Сколько фотонов при этом падает на сетчатку каждую секунду?

1) 500 2) 3000 3) 6 4) 100 5) 28

4. Если энергия первого фотона в 4 раза больше энергии второго, то отношение импульса первого фотона к импульсу второго равно

5. Лазер мощностью 30 Вт испускает 10 20 фотонов в секунду. Длина

волны излучения равна (в мкм)

6. Масса фотона рентгеновского излучения с длиной волны 0,25 нм

7. Рубиновый лазер излучает в импульсе 2·10 19 световых квантов с длиной волны 663 нм. Если длительность вспышки лазера составляет

0,003 с, то ее средняя мощность равна (в кВт)

8. Фотон рентгеновского излучения с длиной волны 2,4·10 -11 м при рассеянии на электроне передал ему 10% своей энергии. При этом длина волны рассеянного рентгеновского излучения стала равной

9. Лазер мощностью 1мВт генерирует монохроматическое излучение

с длиной волны, равной 0,6 мкм. Лазер испускает фотоны, суммарная масса которых равна массе покоя протона, за время (с)

волны монохроматического излучения 25-ватной

лампочки равна 1100 нм. За 10 с работы в номинальном режиме лампочка испускает количество фотонов, равное

11. Чтобы импульс электрона был равен импульсу фотона с длиной

волны λ , он должен двигаться со скоростью υ , равной

12. Если длина волны фотона в вакууме составляет 0,5 мкм, то в

среде с показателем преломления 1,33, его энергия равна (эВ)

13. Длина волны фотона λ с импульсом, равным импульсу электрона,

прошедшего из состояния покоя разность потенциалов U , равна

14. Лазерный луч, падая нормально на зеркало, полностью от него отражается. Если за время t лазер излучает энергию Е , то импульс, получаемый зеркалом в 1 с, равен

15. Поток фотонов падает из вакуума на оптически прозрачное вещество с показателем преломления n для данной длины волны. Если длина волны фотона в веществе λ , то импульс падающего фотона равен

16. Фотон, которому соответствует длина волны λ , при нормальном падении на зачерненную поверхность передает ей импульс, равный

17. Луч лазера мощностью 50 Вт падает нормально на зачерненную поверхность. Сила давления светового луча на поверхность равна (Н)

1) 1,7·10 -7 2) 3,4·10 -7 3) 50 4) 100 5) 1,5·10 10

18*. Фотон с частотой ν падает под углом α на зеркальную поверхность. Поверхность при отражении от нее фотона получает импульс, равный

интенсивностью излучения 15 Вт/см 2 и длительностью 0,5 с. Свет падает нормально на поверхность фольги и полностью отражается. Давление света на фольгу равно (мПа)

1) 0,25 2) 0,5 3) 1 4) 2 5) 5

20. На каждый квадратный сантиметр черной поверхности ежесекундно падает 2,8 · 10 17 квантов излучения с длиной волны 400 нм. Это излучение создает на поверхность давление, равное (мкПа)

21*. Параллельный пучок фотонов с частотой ν падает на зеркальную поверхность под углом α . Давление света на эту поверхность, если через единицу площади поперечного сечения пучка за секунду проходит n фотонов, равно

22. На идеально отражающую плоскую поверхность падает под углом φ световая волна, объемная плотность энергии которой w . Давление света на эту поверхность равно

23. Луч лазера мощностью 50 Вт падает перпендикулярно поверхности пластины, которая отражает k = 50% и пропускает β = 30% падающей энергии. Остальную часть энергии она поглощает. Сила светового давления на пластину равна (Н)

1) 1,7·10 -7 2) 2·10 -7 3) 2,5·10 -7 4) 2,8·10 -7 5) 3·10 -7

24. Давление света зависит от…

1) показателя преломления вещества, на которое падает свет

2) энергии фотона

3) скорости света в среде

4) степени поляризации света

25. На черную пластинку падает поток света. Если число фотонов, падающих на единицу времени увеличить в 2 раза, а черную пластинку заменить зеркальной, то световое давление…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *