Лазеры либо оптические квантовые генераторы – это современные когерентные источники излучения, владеющие целым рядом уникальных параметров. Создание лазеров явилось одним из самых восхитительных достижений физики 2-ой половины XX века, которое привело к революционным изменениям в почти всех областях науки и техники. К истинному времени сотворено огромное количество лазеров с разными чертами – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в разных оптических спектрах.

Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в границах от толикой милливатта до 1012–1013 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят обширное применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, в оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных опытах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя 1-ый лазер был построен сравнимо не так давно (1960 г.), современную жизнь уже нереально представить без лазеров. Одним из важных параметров лазерного излучения является очень высочайшая степень его монохроматичности, недосягаемая в излучении нелазерных источников.

Это и все другие уникальные характеристики лазерного излучения появляются в итоге согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества. Чтоб осознать механизм работы лазера, необходимо более пристально изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в разных энергетических состояниях с энергиями E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния именуются размеренными. По сути размеренным состоянием, в каком атом может находиться нескончаемо длительно в отсутствие наружных возмущений, является только состояние с меньшей энергией. Это состояние именуют главным.

Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях только очень куцее время, порядка 10–8 с, после чего он самопроизвольно перебегает в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно найти из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из 1-го состояния в другое, именуют спонтанным. На неких энергетических уровнях атом может пребывать существенно большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни именуются метастабильными. Переход атома в более высочайшее энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и исходном состояниях. Переходы меж энергетическими уровнями атома не непременно связаны с поглощением либо испусканием фотонов.

Атом может приобрести либо дать часть собственной энергии и перейти в другое квантовое состояние в итоге взаимодействия с другими атомами либо столкновений с электронами. Такие переходы именуются безизлучательными. Сейчас самое главное. В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под воздействием наружного электрического поля, частота которого равна своей частоте перехода. Возникающее при всем этом излучение именуют принужденным либо индуцированным. Принужденное излучение обладает необычным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В итоге взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает очередной фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении.

На языке волновой теории это значит, что атом испускает электрическую волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения вточности такие же, как и у начальной волны. В итоге принужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, растет. Исходя из убеждений квантовой теории, в итоге взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, возникают два совсем схожих фотона-близнеца. Конкретно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров. На рис. 9.4.1 схематически представлены вероятные механизмы переходов меж 2-мя энергетическими состояниями атома с поглощением либо испусканием кванта.

1

Набросок 9.4.1. Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта.

Разглядим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E1 и E2 > E1. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Согласно рассредотачиванию Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая нужную энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n1 и n2 < n1. При распространении резонансного излучения в таковой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис. 9.4.1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют однообразные вероятности. Потому что n2 < n1 поглощение фотонов будет происходить почаще, чем индуцированное испускание. В итоге прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться.

Это явление припоминает возникновение черных фраунгоферовских линий в диапазоне солнечного излучения. Излучение, возникающее в итоге спонтанных переходов, некогерентно и распространяется во различных направлениях и не дает вклада в проходящую волну. Чтоб проходящая через слой вещества волна усиливалась, необходимо искусственно сделать условия, при которых n2 > n1, другими словами сделать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Мысль использования неравновесных сред для получения оптического усиления в первый раз была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году. В 1954 году российские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от их южноамериканский ученый Ч. Таунс использовали явление индуцированного испускания для сотворения микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии. Среда, в какой сотворена инверсная населенность уровней, именуется активной.

Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтоб появлялась генерация света, нужно использовать оборотную связь. Для этого активную среду необходимо расположить меж 2-мя качественными зеркалами, отражающими свет строго вспять, чтоб он неоднократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При всем этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято именовать накачкой. Начало лавинообразному процессу в таковой системе при определенных критериях может положить случайный спонтанный акт, при котором появляется излучение, направленное повдоль оси системы. Через некое время в таковой системе появляется стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (либо оба) из зеркал, владеющее частичной прозрачностью. На рис. 9.4.2 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

2

Набросок 9.4.2. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Есть разные методы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере употребляется оптическая накачка. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только 2-ух уровней. Каким бы массивным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка делается через 3-ий выше расположенный уровень (рис. 9.4.3).

3

Набросок 9.4.3. Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Переход меж уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется меж уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома.

После вспышки сильной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %), перебегают в состояние с энергией E3, а через просвет τ ≈ 10–8 с они перебегают в состояние с энергией E2. Перенаселенность возбужденного уровня E2 по сопоставлению с невозбужденным уровнем E1 появляется из-за относительно огромного времени жизни уровня E2. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт. Исторически это был 1-ый действующий лазер (южноамериканский физик Т. Майман, 1960 г.). Одним из часто встречающихся лазеров в текущее время является газовый лазер на консистенции гелия и неона. Общее давление в консистенции составляет порядка 102 Па при соотношении компонент He и Ne приблизительно 10 : 1. Активным газом, на котором появляется генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Гелий является буферным газом, он участвует в механизме сотворения инверсной населенности 1-го из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты демонстрируют, что спектральная ширина полосы генерации He–Ne лазера составляет приблизительно Δν ≈ 5·10–4 Гц. Это фантастически малая величина.

Время когерентности такового излучения оказывается порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·1011 м, другими словами больше поперечника земной орбиты! На практике многие технические предпосылки мешают воплотить настолько неширокую спектральную линию He–Ne лазера. Методом кропотливой стабилизации всех характеристик лазерной установки удается достигнуть относительной ширины Δν / ν порядка 10–14–10–15, что приблизительно на 3–4 порядка ужаснее теоретического предела. Да и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совсем неподменным при решении многих научных и технических задач. 1-ый гелий-неоновый лазер был сотворен в 1961 году. На рис. 9.4.4 представлена облегченная схема уровней гелия и неона и механизм сотворения инверсной населенности лазерного перехода.

4

Набросок 9.4.4. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется последующим образом. В высоковольтном электронном разряде вследствие соударений с электронами значимая часть атомов гелия перебегает в верхнее метастабильное состояния E2. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в главном состояние, и передают им свою энергию. Уровень E4 неона размещен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E2 гелия. Недочет энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E4 неона появляется инверсная населенность по отношению к уровню E3, который очень обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При довольно высочайшем уровне накачки в консистенции гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения схожих когерентных фотонов. Если кювета со консистенцией газов помещена меж высокоотражающими зеркалами, то появляется лазерная генерация. На рис. 9.4.5 изображена схема гелий-неонового лазера.

5

Набросок 9.4.5. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со консистенцией гелия и неона, в какой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием наименее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %.

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры выполняются в моноблочном выполнении. Для этого употребляется стеклообразное вещество – ситалл, владеющий фактически нулевым температурным коэффициентом расширения. В кусочке ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическим контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется консистенцией гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высшую механическую и термическую стабильность.