Твердотельные и жидкостные лазеры

Активным веществом твердотельных и жидкостных лазеров является диэлектрик, находящийся в конденсированной фазе. По сравнению с газами в конденсированных средах можно создать большие плотности (концентрации) активных частиц в единице объема и тем самым достичь большей плотности инверсии и большего удельного энерго съема.

В то же время разнообразие процессов, с помощью которых можно изменить энергетическое состояние атомов в таких системах без их разрушения, весьма ограничено. Практически единственным способом активного воздействия остается облучение светом. Поэтому в твердотельных и жидкостных лазерах на диэлектриках применяется только оптическая накачка. В полупроводниках возможно дополнительное воздействие путем пропускания через них электрического тока.

Общая характеристика и особенности твердотельных лазеров: Рабочий элемент твердотельных лазеров выполнен из кристаллического или аморфного диэлектрика. Такие лазеры надежны, удобны и сравнительно просты в эксплуатации. При небольших габаритах они могут генерировать очень высокие импульсные мощности (вплоть до 10 Вт и более), очень короткие световые импульсы (до 10 с и менее), а также работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от единиц мВт до сотен Вт, Их накачка осуществляется оптическим путем.

Для этого электрическая энергия с помощью специальных ламп накачки или с помощью полупроводниковых лазерных диодов преобразуется в оптическое излучение, которое поглощается атома ми активного вещества, переводя их в возбужденное состояние. Наличие такого промежуточного процесса преобразования электрической энергии накачки снижает общий КПД твердотельные лазеров, который не превышает нескольких процентов при лам повой накачке и достигает 30% при накачке инжекционными лазерами.

Проходя через магнитное поле, направленное перпендикулярно к оси пучка, заряженные частицы (электроны) под действием силы Лоренца изменяют траекторию движения. Кроме поступательного движения со скоростью г электроны под действием периодического поля ондулятора совершают периодические колебания.

Следовательно, они испускают электромагнитное излучение аналогично классическому осциллирующему диполю. При обычных скоростях электронов эта частота лежит в радиодиапазоне, а сам эффект используется в классических СВЧ электронных приборах, например, в лампах бегущей волны (ЛБВ),

В процессе взаимодействия электронного пучка с электромагнитной волной, в которую перекачивается его энергия, происходит фазовая группировка, обеспечивающая выполнение условия синхронизма, и тем самым достигается когерентность генерируемой волны. Кроме того, поскольку пучок осциллирующих электронов движется со скоростью v относительно наблюдателя, то для него будет проявляться эффект.
Читать далее

Атомы и ионы

Атом, как известно, состоит из различных мельчайших частиц: электронов, имеющих наименьший, известный в природе отрицательный заряд и массу, в 1 837 раз меньшую массы водородного атома; протонов, имеющих положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, и массу, почти равную массе атома водорода; нейтронов, не имеющих электрического заряда, но имеющих массу, почти равную массе иротона.

Эти элементарные частицы входят в состав всех атомов, но в различном количестве, что и обуславливает отличие атомов друг от друга. Согласно теории проф. Д. Д. Иваненко ядро атома состоит из протонов и нейтронов, общее число которых определяет атомный вес А элемента. Порядковый номер Z элемента в системе Менделеева равен числу протонов в ядре данною элемента; тогда число нейтронов равно А Z.

Количество электронов, составляющих внешнюю электронную оболочку данного атома, равно числу протонов, входящих в состав ядра этого атома, т. е. равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. В целом атом любого элемента является электрически нейтральной системой, так как число протонов ядра, имеющих положительный заряд, равно числу электронов внешней оболочки, имеющих отрицательный заряд такой же величины.

Разрушить атомное ядро большинства элементов очень трудно, но электроны внешней оболочки довольно легко отрываются от атома под действием различных внешних сил. Этот процесс отрыва электрона от атома носит название ионизации, а сам атом, потерявший электрон, уже перестает быть нейтральным и превращается в положительный ион, положительный электрический заряд которого равен по абсолютной величине заряду потерянного электрона.

Благодаря этой способности электронов довольно легко отделяться от атомов они чаще других частиц находятся в свободном состоянии. Простейшим атомом является атом водорода Н, в составе которого имеется ядро из одного протона и электронная оболочка из одного электрона. Атом гелия Не состоит из ядра с двумя протонами и двумя нейтронами и электронной оболочки из двух электронов. Вообще, чем тяжелее атом, тем сложнее его структура.

Все частицы в атоме удерживаются действующими между ними силами, вследствие чего для разрушения атома, или даже только для раздвижения его частиц, обычно необходимо совершить работу, направленную против действия этих сил, т. е. увеличить энергию атома, которую мы будем называть его внутренней энергией. Электроны в твердых телах

Все, что выше говорилось о внешних электронах оболочки атомов, относилось к изолированным атомам, которые можно считать находящимися весьма далеко от всяких других частичек (атомов, ионов, электронов и макроскопических тел), как, например, можно почти всегда рассматривать атомы газа. Если же атомы начинают сближаться или остаются в этом состоянии длительное время, то внешние электроны каждого из атомов испытывают действие электрических сил от соседних частиц, в результате чего ослабляется связь этих электронов со своим атомом.
Ионы и атомы

Классическая теория Гельмгольца

При рассмотрении электрокинетических явлений Гельмгольц исходил из следующих упрощающих предположений: двойной электрический слой можно представить в виде плоскопараллельного конденсатора, внутренняя обкладка которого образована зарядами твердого тела, внешняя зарядами, локализованными в жидкости; толщина этого конденсатора, имея размеры близкие к молекулярным, такова, что ДС включает несколько молекулярных слоев и он значительно меньше радиуса капилляра;

Слой молекул жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, при электрокинетических явлениях остается неподвижным, тогда как следующие слои сано обычными уравнениями гидродинамики; стенка является изолятором, а жидкость обладает свойством электролитической проводимости; задаваемая извне разность потенциалов суммируется как аддитивная величина с перепадом потенциала в двойном слое.

Это означает, что внешнее поле не деформирует ДС, не нарушает его равновесного строения, несмотря на то, что внешнее поле обеспечивает непрерывное перемещение заряженного слоя жидкости вдоль поверхности. Физическая предпосылка, оправдывающая эту идеализацию, состоит в следующем. Хотя внешнее поле непрерывно смещает ДС от строго равновесного состояния, взаимодействие между обкладками ДС столь велико, что равновесие в ДС успевает восстановиться.

Направление возникающего электрического поля при одном и том же направлении фильтрации жидкости для всех этих материалов совпадало. При изменении направления фильтрации изменялось и направление электрического поля.

Как и в случае электроосмоса, добавление кислот или солей уменьшало, а соответственно добавление дистиллированной воды или алкоголя увеличивало эффект. Было также установлено, что потенциал течения возникает лишь в присутствии диафрагмы и что он не зависит от размеров диафрагмы (ее сечения и толщины) и количества фильтруемой жидкости.

Как и в случае электроосмоса, была установлена линейная зависимость между объемной скоростью фильтрации и возникающей разностью потенциалов. Таким образом, характеристикой эффекта является отношение разности потенциалов к объемной скорости фильтрации. Эта характеристика в ряде исследованных Квинке материалов изменялась почти на три порядка.

Поскольку причиной электроосмоса является силовое воздействие электрического поля на заряженный слой жидкости, граничащий с поверхностью твердого тела, ясна принципиальная возможность наблюдения электроосмоса не только в случае пористой диафрагмы, но и в случае единичного капилляра. Между тем, последний случай представляется наиболее интересным, так как эффект здесь реализуется в наиболее простых условиях, что должно существенно облегчить создание количественной теории.

Действительно, открытие и исследование Квинке (1861) электроосмоса в единичном капилляре в дальнейшем стимулировало разработку теории электрокинетических явлений Гельмгольцем. В случае единичного капилляра методически более удобным оказалось изучение не собственно стационарного электроосмоса, а высоты электроосмотического подъема жидкости в наклонном капилляре, которую измеряли с высокой точностью с помощью микроскопа.
Классическая теория Гельмгольца