Лазер. Принцип действия. Свойства лазерного излучения, на которых основано их применение

Лазером (или оптическим квантовым генератором) называется устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонаторе.

В основе работы лазеров лежат фундаментальные процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного (индуцированного) излучения и процесс поглощения.

Внутренняя энергия частиц может принимать ряд определенных дискретных значений, соответствующих энергетическим состояниям или энергетическим уровням. Самый нижний энергетический уровень с наименьшей энергией частицы – основной, остальные энергетические уровни с более высокой энергией частицы – возбужденные. Переход частицы с уровня на уровень могут быть излучательными или поглощательными.

Переход частиц (молекул, атомов, ионов и атомных ядер) с более высокого энергетического уровня Е₂ на уровень Е1 может происходить самопроизвольно и носит название спонтанного излучения (рис. 6а). Такой переход сопровождается излучением фотонов в результате ускорения и

торможения заряженных частиц. Фотон – это элементарная частица света, обладающая волновыми свойствами и энергия которой определяется так: E=hν, h = 6,62∙10^-34 Дж∙сек – постоянная Планка, ν – частота излучения.

Следовательно, спонтанное излучение сопровождается выделением кванта энергии hν= Е₂ - Е₁.

Частицы, находящиеся в возбужденном энергетическом состоянии могут перейти в низшее (обычно нормальное, основное) энергетическое состояние под действием внешнего электромагнитного поля. Электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный. Такое излучение под действием электромагнитной волны носит название индуцированного (вынужденного) излучения (рис. 6с). Явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество.

Главное свойство индуцированного излучения: частота, поляризация, направление распространения кванта энергии вынужденного излучения совпадают с соответствующими характеристиками внешнего поля, т.е. вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его проходящим светом.

Под действием внешнего электромагнитного поля частица может переходить с нижнего на более высокий уровень, поглотив квант энергии. Такой переход носит название резонансного поглощения (рис. 6в).

Поглощение фотонов уменьшает интенсивность света, проходящего через среду. На рис. 7 схематически представлены два конкурирующих друг с другом процесса: поглощения и вынужденного излучения. Первый процесс уменьшает

число фотонов, проходящих через среду. Второй процесс увеличивает число фотонов, проходящих через среду.

До взаимодействия После взаимодействия

		Рис. 7

 

 

Среда называется активной или средой с инверсной населенностью, ели процессы вынужденного излучения преобладают над процессами поглощения света. В такой среде возрастание интенсивности I проходящего света с увеличением толщины активной среды (рис. 8) происходит быстрее за счет лавинообразного нарастания числа фотонов (рис. 9).

Рис. 9

Рис. 8

Для получения активной среды необходимо создать в среде необычное, неравновесное состояние (инверсное состояние): число атомов (молекул, ионов) на возбужденном уровне должно быть больше, чем на нижнем уровне. Такое распределение атомов по уровням является «перевернутым», «инверсным» по сравнению с обычным. Обычно на верхних уровнях атомов меньше, чем на нижних.

Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например, при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде.

Накачка осуществляется по трех- или четырехуровневой схеме лазера. Например, типичным и наиболее используемым лазером на нейтральных атомах является гелий-неоновый лазер, в котором усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном. На рис. 10 изображена упрощенная трехуровневая энергетическая диаграмма такого лазера.

 

		Рис. 10

 

 

Под действием электрического разряда часть атомов He ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией,

которые, сталкиваясь с атомами He, переводят их из основного состояния Е₁ на долгоживущий возбужденный уровень Е₃. При столкновениях возбужденных атомов He с атомами Ne последние также возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних уровней Е₂ сопровождается лазерным излучением.

Эффект усиления света в лазерах увеличивается за счет многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой активной среды. Это может быть достигнуто, ели слой активной среды (кювета с газом или кристалл) пометить между двумя зеркалами, установленными параллельно друг другу. Одно зеркало – «глухое» З₁ с высоким коэффициентом отражения (около 100%) и второе, полупрозрачное зеркало З₂, через которое проходит излучение.

Чтобы заставить активную среду излучать, надо перевести возможно большее число атомов в возбужденное состояние, для этого можно использовать газовый разряд. Как это делается в газоразрядных трубках, используемых для рекламы. Итак, фотон А, который движется параллельно оси кюветы или кристалла, рождает лавину фотонов, летящих в то же направлении (рис. 11а).

 

Рис. 11

в)

б)

а)

 

 

Часть этой лавины проходит через полупрозрачное зеркало З₂ наружу, а часть отражается и нарастает в активной среде (рис. 11б). Когда лавина фотонов дойдет до зеркала З_1, она частично поглотится, и после отражения от зеркала З₁

усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный «затравочный» фотон. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало З₂, создает пучок лучей света огромной интенсивности с малым расхождением по углам, т.е. остронаправленный. Таким образом, зеркала осуществляют положительную обратную связь: излучение одного атома увеличивает вероятность излучения других. Фотоны В и С (рис. 11а), летящие «вбок», под углом к оси кювета или кристалла, создают лавины, которые после небольшого числа отражений выходят из активной среды и в усилении света не участвуют.

Принципиальная схема действия лазера изображена на рис. 12.

	Рис. 12

Лазер, как любой генератор, состоит из следующих основных элементов: источника энергии (И), регулятора (Р), колебательной системы (КС) и обратной связи (ОС), которая соединяет колебательную систему и регулятор. Источник энергии поставляет ее в виде удобном для переработки ее в лазерное излучение. В качестве колебательного устройства служат электронные переходы между энергетическими уровнями активной среды. Регулятором является система возбуждения энергетических уровней. Положительная обратная связь обеспечивает подкачку энергии в колебательную систему в нужной фазе колебаний.