LM.3 · Radiation attenuation, laser gain and cavity modes

photon beam ไม่มี range ที่แน่นอน แต่ heavy charged particle มี; การคำนวณ shielding จะผิดพลาดหากสลับสองสิ่งนี้เข้าด้วยกัน

ความรู้พื้นฐาน: 7, 17, 21

• แยกStopping และ range ของ charged-particle ออกจาก exponential photon attenuation
• คำนวณ intensity ที่ถูกลดทอนและ Detected counts ด้วยสัมประสิทธิ์ที่กำหนด
• อธิบายการแผ่รังสีแบบถูกกระตุ้น การกลับสภาพประชากร และสภาวะเรโซแนนซ์ของโพรงแสง

อนุภาคมีประจุหนักสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องผ่านการชนหลายครั้ง จึงมีระยะทางประมาณได้: ภายใต้โมเดลการสูญเสียคงที่ อนุภาคที่มีพลังงานเริ่มต้น E0 และอัตราการสูญเสีย dE/dx จะหยุดลงหลังจาก E0/(dE/dx) อิเล็กตรอนมีการกระจายตัวมากกว่าและมีการแผ่รังสี ในทางตรงกันข้าม โฟตอนจะเกิดปฏิกิริยาในเหตุการณ์เดียว ดังนั้นลำแสงแคบจึงลดทอนตามกฎเลขชี้กำลังเป็น I=I0 e^(−μx) โดยไม่มีความลึกสูงสุดที่กำหนดไว้; ชั้นครึ่งค่าคือ ln2/μ

ใช้กฎเลขชี้กำลังเฉพาะกับเรขาคณิตลำแสงแคบที่ระบุ: μ=0.2 /cm ให้ชั้นครึ่งค่าเท่ากับ 3.47 cm และ I/I0=e^(−2)≈0.135 หลัง 10 cm คูณด้วยประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับสำหรับจำนวนที่บันทึก: เมื่อ μx=ln4 และ ε=0.25 ส่วนที่บันทึกคือ 0.25×1/4=1/16 การเพิ่มขึ้นจากการกระเจิงของโฟตอนทำให้การป้องกันลำแสงกว้างส่งผ่านมากกว่ากฎเลขชี้กำลังลำแสงแคบ; ระบุเรขาคณิต

การแผ่รังสีแบบถูกกระตุ้นจะสร้างโฟตอนที่มีความถี่ ทิศทาง และเฟส ตรงกับโฟตอนกระตุ้น ทำให้เกิดการขยายสัญญาณที่สอดคล้องกัน การแผ่รังสีนี้แข่งขันกับการดูดกลืน; การได้กำไรสุทธิจำเป็นต้องมีการกลับด้านของประชากร N2/g2>N1/g1 (N2>N1 สำหรับความเสื่อมเท่ากัน) สมดุลอุณหภูมิเชิงบวกมี N2/g2<N1/g1 ตามตัวบอกรังสี Boltzmann ดังนั้นระบบสองระดับในสมดุลจึงไม่สามารถเกิดเลเซอร์ต่อเนื่องได้; เลเซอร์ในทางปฏิบัติใช้การปั๊มระดับที่สามหรือสถานะเมตาเสถียร

โพรงแบบเส้นยาว L รองรับโหมดStanding wave ที่มี L=mλ/2, นั่นคือความถี่ ν_m=mc/(2L) ด้วยระยะห่าง c/(2L): สำหรับ L=30 cm ระยะห่างคือ 500 MHz กำลังต้องเกินการสูญเสียรอบโพรงเพื่อให้เกิดการสั่นพ้อง เครื่องวัดการรบกวนเช่น Michelson ใช้ความสอดคล้องเดียวกัน: จำนวนแถบ doGet บ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงเส้นทางแสง เช่น ในการวัดเซลล์แก๊ส

ลำแสงแคบมีการลดทอน $I=I_0e^{-\mu x}$ และมีชั้นครึ่งค่า $x_{1/2}=\ln2/\mu$

สามชั้นครึ่งค่าส่งผ่าน 1/8 โมเดลนี้ไม่รวมการเพิ่มขึ้นจากการกระเจิงเข้าสู่เครื่องตรวจจับ สำหรับโพรงเลเซอร์สุญญากาศเชิงเส้น โหมดแนวตั้งข้างเคียงจะแยกออกจากกันด้วย $c/(2L)$ การได้รับจากการกระตุ้นสุทธิต้องการ $N_2/g_2>N_1/g_1$; การประมาณการที่ง่ายกว่า $N_2>N_1$ สันนิษฐานว่ามีความเสื่อมเท่ากัน

การกำหนดระยะทางที่แน่นอนให้กับโฟตอนหรือกฎเอกซ์โพเนนเชียลเดียวให้กับอนุภาคที่มีประจุ และการลืมว่าประชากรสองระดับที่สมดุลไม่สามารถกลับด้านได้ ตรวจสอบว่าสปีชีส์ลำแสงต้องใช้โมเดลการมีปฏิสัมพันธ์ใด

ชั้นครึ่งค่า: ความหนาของวัสดุที่ทำให้ลำแสงที่ลดทอนตามกฎเลขชี้กำลังลดลงครึ่งหนึ่ง เท่ากับ ln2/μ

การกลับสภาพประชากร: สถานะที่ไม่ใช่สมดุลที่มีประชากรในระดับเลเซอร์บนมากกว่าระดับล่าง ทำให้เกิดการแผ่รังสีแบบถูกกระตุ้นสุทธิ