Лазеры и их применения в ядерных технологиях: [учеб. пособие]

)

.

.

“

”

2008

УДК 621.373.826(075) ББК 32.86-5я7 К 43 Киреев С. В., Шнырев С. Л. Лазеры и их применения в ядерных технологиях: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. − 180 с. Посвящено изучению свойств источников когерентного излучения – лазеров, а также вопросам их практического использования. В пособии изложены физические принципы работы лазерных источников излучения, описаны наиболее распространенные и широко используемые в настоящее время лазеры. Рассмотрены некоторые интенсивно развивающиеся области применения лазеров в ядерных технологиях: лазерное разделение изотопов, лазерные методы очистки и дезактивации поверхностей, лазерный термоядерный синтез, лазерное детектирование вредных веществ в атмосфере. Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям “Физика конденсированного состояния вещества”, “Лазерная физика”, изучающих курсы “Квантовая радиофизика”, “Методы лазерной диагностики”, “Лазеры и их применение” и др. Пособие подготовлено в рамках инновационной образовательной программы МИФИ Рецензент д-р физ.-мат. наук С.А. Гончуков ISBN 978-5-7262-0986-9 © Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008

Редактор Т.В. Волвенкова Подписано в печать 10.10.08 Формат 60×84 1/16. Печ. л. 11,25 Уч.- изд.л. 11,25 Тираж 150 экз. Изд. № 1/36. Заказ № Московский инженерно-физический институт (государственный университет). 115409, Москва, Каширское ш., 31 Типография издательства “Тровант”. г. Троицк Московской области

2

1.

5 1.1.

, .

5

1.2. 11 1.3.

,

19

1.4.

23

1.5.

27

1.6.

:

,

,

35

1.7.

: ,

,

45

1.8.

55

1.9.

60

1.10.

67

1.11.

73 78

2.

80 2.1.

80

2.2

91

2.3.

107

2.4.

112 3

2.5.

121

2.6.

123

2.7.

127 135

3.

137 3.1.

137

3.2.

152

3.3.

159

3.4. 167 178 180

4

1. 1.1.

, . , , . (

,

,

,

.)

-

. , (

,

,

), -

, .

,

,

. . -

2

*

(

).

,

, ,

,

-

, . .

,

-

E ,

: (1.1)

. E.

Hˆ

Hˆ –

,

-

. . 5

, .

, . , n

,

)

,

, En (n –

).

-

, . ,

-

–

. , .

.

, . , ,

,

. : Ni

gj

N gi exp( Ei / kT ) exp( E j / kT )

Ngi exp( Ei / kT ) , (1.2) Q

j

Ni – (

Ei, gi – ,N–

) 6

-

, k = 1,38·10-23 ,Q–

/K –

,

–

:

, Ni

N.

i

Em > En. , . (1.2) Nm

. -

: Nn

gm

Em

g n exp

En .

(1.3)

kT

, (gn = gm), -

.

. ,

,

: Nn

gn

> Nm

gm

(1.4)

.

,

, .

. . )

,

,

, m.

Em > En, n.

E = Em – En. , .

7

-

(

,

),

. ,

-

(

), : mn

6,6·10 .

h= 2

-34

Nm

h

mn

Em

(1.5)

En ,

–

,

mn

m m

(

–

-

), m

n(

) N m:

dN m

(1.6)

Amn N m .

dt

Amn . :

1

mn

,

-

m

Amn

.

n. , , , (1.5), ,

. -

m. E = Em – En,

, . ,

). .

(

-

)N n ,

(1.7)

, :

dN n

dt

Bnm (

8

nm

Bnm

( –

nm

)–

(

Bnm

(

·c-1), ,

2

(

Wnm

-2

).

nm )

. , 1916 .

,

m, (1.5).

, ,

,

m n E = Em – En

,

. ,

, .

(

)

. m

: dN m

Wmn

Bmn – Bmn

-

(1.7) Bmn (

dt

nm

(1.8)

) Nm ,

, (

– nm )

. -

. ,

. ,

, -

. ,

, ,

, .

, ,

,

-

, :

,

-

. . 9

–

-

, . , , . (

)–

,

. (

). ,

-

,

. .

,

-

.

.

, . ,

.

. .

, -

,

: 2

8 v

c

3

h h exp kT

(1.9)

.

1

,

(1.6) – (1.8)

: N m Amn

N m Bmn (

nm

10

)

N n B nm (

nm

).

(1.10)

(

nm

)

(1.3): Amn Nn B N m nm

Amn gn h nm Bnm exp gm kT

Bmn

(1.9)

nm

(1.11)

.

Bmn

,

:

Bnm g n

Bmn g m ,

(1.12)

Amn

8 h 3nm . c3

(1.13)

Bmn

,

-

,

.

,

(1.12) (

). ,

-

,

(1.12)

(1.13)

, .

,

-

: Wmn 3

8 h nm c3

3

(

nm

(1.14)

) Bmn .

-

,

.

, ,

,

,

.

1.2. ,

, .

11

.

. :

.

E t

(1.15) , , . -

,

, .

,

, ,

. ,

(1.15) .

, ,

-

. . -

(

0

),

( Em En )

mn

M

D.

,

. x (t )

: x

x

2 0

x

12

0,

2 0

D

M

(1.16)

x(0)

x (t )

0.

x 0 , x( 0 )

x 0 exp(




0.

, , -

,

,

z

. ,

,

.

: 0

1

V . c

(1.160) ,

, V

z,

. ,

,

: 0

V 0

74

.

(1.161)

:

+V,

,

,

–V. .

-

”

, (

. 1.34.

. 1.34).

(

)

)

–

(

)

.

, : g

g0 ( ) , I( ) 1 IS

)

(1.162)

I( ) –

. ,

< ,

,

z

75

0.

=

0,

.

, -

, :

g

0

)

2

g0 ( 0 ) . 2I ( 0 ) 1 IS , . ,

(1.163)

, -

: g( ) = g( 0) = .

, , g0( ) g0( 0). (1.163) , I( 0) P=IAT (T –

0

(1.162) ,

–

P( 0)

-

0,5I( ). ),

P( ): P(

P(

0

g0

)

ATI S

)

g0 1 ATI S 2

)

0

1 ,

)

(1.164)

1 .

(1.165)

.

,

. -

,

-

. 0

.

=

0

. . , –

’, .

76

’ ,

-

, – .

= ’(

. 1.35).

. 1.35.

. ,

,

, . -

,

. ,

, ,

He-Ne

,

, . 0,63

77

,

-

, , 10-13.

-

1. 2.

? ?

3.

.

4. ? 5.

?

6. 7.

? ?

8. . 9.

?

10. 11. 12. 13. 14.

? ? ? mnq?

?

15.

, ?

16. 17. 18. 19.

? . . ?

20. ? 21. 22.

? .

23.

? 78

24. 25. 26.

? ? ?

27. . 28. . 29.

?

30. ? 31. 32. 33.

? ? ?

79

2. , .

-

,

,

,

. 2.1. ,

-

.

, –

-

. , . . ,

,

-

. , . , ,

. -

,

–

. -

– . . .

, . .

, ,

80

.

. . : (2.1 )

A

e

A * e,

A

e

(A ) * e , , A*

A–

(2.1 ) A+ – .

: A* B

A* B

A

B*

A

+

(2.2 )

E,

(B ) *

E.

(2.2 ) , -

,

E A

B

kT. . (

). . –

,

-

,

. , ,

(He-Ne)

Ne.

, He ,

Ne, . 2.1.

Ne.

-

. . 21S0

23S0

He:

He

e

He * e . 81

(2.3)

1

S0

21S0 23S0 1 .

,

. 2.1.

He-Ne

He * N e

23S0 kT

He

2s2

: Ne * E. 21S0 3s2, -1 300 , .

(2.4)

3s2 3s2

. 2

4

2s Ne 2s2 Ne 3p4

3p

2p

4

,

,

2p4.

-

, s-

p-

. . 82

3s2 2s2

1.

.

-

(2.3). 3p4 2p4, 2. 2p4

. 3p4 Ne, ,

.

3.

, ( 5–10)

.

, (3,39

1,15

)

–

(0,63

). .

0,63 1,15 – 20

5-6% – 20%

,

, ,

3,39

. 3.39

1,15

0,63

. 0,63

1,15 -

, , .

d (

)

p.

,

pd , pd

,

. pd . 1s 83

-

, d-1 – ,

-

.

, . .

, -

. 2

.

0,63 3,39 3,5 – 4,0 10 – 12 .

pd 1,15

–

,

. Ne(1s) e

Ne(2 p ) e , , 1 1 He(2 S ) e He(1 S ) e ,

(2.5) (2.6) .

, ,

-

, . .

1

–

0,63 , 1,15 0,63

, ,

3,39 . , .

,

,

, .

0,63 1

,

15 – 20 ,

. , 3,39 . 84

-

, 100

. -

,

-

. .

-

. 2.2.

. 2.2. 2

P

2

S 2

2

D. 2 D

2

, 2 2

, -

. 2

2

P

.

2

P

2

2

D,

2

P

D

.

, 2

2

S

2

2

D. ,

2

-

2

S. 2

P

2

2

S

, ,

85

-

– ,

. 2

D

,

Cu( 2 D) e

Cu( 2 S) e .

(2.7) : 510

2

2

P3/2

D5/2)

578

2

( 10

-

,

P1/2 , .

2

D3/2).

( -

. 20 0,5

.

,

1500 10

15

0

-

-3

. , . 2.3. -

(Ar

+

Kr

,

+

), He-Cd

.

. 2.3. 86

,

,

. 2.4.

Ar+

. 2.4.

. p-

: Ar+e

Ar

Ar+ Ar +e , ,

2e .

(2.8) -

4p: (Ar )* e .

4p

(2.9) -

– ,

4p, 4p , Ar+

72

. 87

4s. ,

4p. -

,

. . 4p

2

4s

-

9

, .

514,5

488

. ,

-

, . . ( 1 )

2

1 0,5

.

, -

. (

3000 ). ,

, 3,5

. (

,

1

,

-

). Kr+ 647,1

. He-Cd

. 2.5. .

,

,

He-Ne -

. . 21S0

-

23S1. 2

D3/2

2

D5/2

He* Cd

: He (Cd )* e . 88

(2.10)

1=325 2=441,6

. 2.5.

He-Cd

.

,

-

, , –

,

,

, .

,

-

, . , 2

D

-

2

P. 2

,

D

, 2 P(

) 2

D.

. (

-

) . 2

2

D

: 441,6 325 441,6 89

P

-

. .

, -

. 441,6 0,63

He-Cd , )

He-Ne (

)

(

, -

, – 1

. , – ( ).

-

,

.

. , (

-

).

,

,

, . . (

),

-

. )

200 – 300 ,

,

0

,

,

. ,

,

,

, ,

. ,

(

).

, ( 1000

-

). 90

-

2.2

–

-

, (

),

2

( )

-

. -

. 2

: , ( (V3) ( ,

V1),

–

. -

. 2.6). , .

-

(V2)

, , ,

l=0, 1.

. 2.6.

2:

–

;

91

–

–

;

, ,

-

: (V1V2lV3). . 2.7.

1=10,6

2=

9,6

. 2.7.

000 0

0

00

02 0

10,6

.

9,6 0001

1000 .

-

,

0

00 1

2

(V = 1 18

V = 0) .

-1

,

N2 -

N2 (V=1)

. : N 2 (0) e

N 2 (1) CO 2 (0000)

N2 (1) e ,

N 2 (0) CO 2 (00 01) 92

(2.11)

E.

(2.12)

, CO 2 (000 n)

-

V = 4 – 5,

N 2 (V ) 0

0

N2 (V ) CO2 (00 n m)

N2 (V m) CO2 (00 n)

: E . (2.13)

: CO2 (0000) CO2 (000 n)

CO2 (0001) CO2 (000 n 1) , . 0,5 . 1000

0001 1000 02 0, kT.

(2.14) 0200, 0110

0

0200,

, 0110

. .

. 2.7 . ,

2

: 2,

N2

, 2:

10 – 15 .

. N2:He 1:1:8

-

.

,

, .

,

, .

, 0110.

(

,

,

-

) .

2

93

000 00

0

1000

,

-

0

02 0.

2

10,6 ,

9,6

. ,

.

. 2.8.

. (

. 2.8).

, (P

P-1,

R

–

+1).

R-

J. ,

J 20.

J. 2

. 2

. 2

: 94

,

-

, ,

,

,

. .

.

, . 1 ,

50 ,

-

p d=1–2

10–15

(

-

pd). 50

,

25–30

-

. ,

. . : . , ,

, , -

. ,

-

, ( /c). , ,

.

-

. . 95

-

,

,

.

.

,

-

. 10–20

. ,

-

.

2

.

2

-

1%

. .

2

,

,

, -

. ,

. , .

-

. 2

, .

.

-

. 100 (

1

.

) .

.

100 0,1

. -

– . ,

,

,

.

96

-

,

3–4

.

,

. .

2

, , . .

-

. ,

. , .

,

, 100

.

.

pd 200

.

-

, . , . , , :

.

2

,

,

, , kT.

97

. -

:

CO(V ) e .

CO(0) e

(2.15) ,

V = 5–8. ,

, , .

,

,

,

-

: CO(V ) CO(U )

(VV

CO(V

n) CO(U

E.

n)

). ,

. n=1 n = 2, 3, 4 … – , n = 1, U = V ( CO(V ) CO(V )

,

. . . 2.9).

(2.16) – , -

:

CO(V 1) CO(V 1)

E.

(2.17) .

. 2.9 ,

E

,

-

.

V

E

V+1 1

2 1

V-1

2

V . 2.9.

VV-

,

,

,

: CO(V 1) CO(V 1)

CO(V ) CO(V )

98

E.

(2.18)

.

,

-

,

:

W2

E / kT ) .

W1 exp( ,

,

,

(2.19) -

VV . . V 20, ) V 35-40.

,

(

NV

1

T3 T2 T1

V . 2.10. : ( 1