Лазеры. Принцип действия лазеров.

Лекция 12. СПОНТАННОЕ И ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Сточки зрения квантовой механики стационарное состояние атома должно сохраняться как угодно долго, если нет внешних причин, вызывающих изменение энергии атома. Однако опыт показывает, что атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии, сам собой переходит в нормальное, невозбужденное состояние, излучая свет.

Излучение, происходящее в отсутствие внешних причин, изменяющих энергию атома, называется самопроизвольным или спонтанным излучением.

До сих пор мы рассматривали только два вида переходов атомов между энергетическими уровнями: спонтанные переходы с более высоких уровней на более низкие и переходы с более низких уровней на более высокие, происходящие под действием излучения. Переходы первого вида приводят к спонтанному испусканию атомами фотонов, переходы второго вида обусловливают поглощение излучения веществом.

В 1918 году Эйнштейн обратил внимание на то, что двух указанных видов излучения недостаточно для объяснения существования состояний равновесия между излучением и веществом. Для возможности установления равновесия при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование «испускательных» переходов, вероятность которых возрастала бы с увеличением интенсивности излучения. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным или индуцированным.

Равновесие между веществом и излучением будет достигнуто при условии, что число атомов N_nm, совершающих в единицу времени переход из состояния n в состояние m, будет равно числу атомов N_mn, совершающих переход в обратном направлении. Допустим, что E_n > E_m. Тогда переходы m → n смогут происходить только под воздействием излучения, переходы же n → m будут совершаться как вынужденно, так и спонтанно

.

Условие равновесия имеет вид

ЛАЗЕРЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ.

Таким образом, в процесс вынужденного излучениявовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучение возбужденного атома, и вторичный фотон, испущенный атомом.

Вынужденное излучение (вторичные фотоны) обладает важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения вынуждающего излучения. То же самое относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и вынуждающего излучений. Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучения строго когерентны. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, т.е. лазеров.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением возможен и конкурирующий процесс - поглощение.

Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число случаев вынужденного излучения фотонов (оно пропорционально заселенности возбужденных состояний) превышало число случаев поглощения фотонов (оно пропорционально заселенности основных состояний).

В системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т. е. падающее излучение при прохождения через вещество будет ослабляться.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсной населенностью. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсной населенностью) называется накачкой. В средах с инверсными состояниями вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться. Эти среды называются активными.

Впервые на возможность получения сред, в которых свет может усиливаться за счет вынужденного излучения, указал в 1939 г. российский физик В. А. Фабрикант. Открытие явления усиления электромагнитных волн и изобретенный способ их усиления (В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский, Ф. А. Бутаева, 1951) легли в основу квантовой электроники и впоследствии привели к созданию квантовых усилителей и квантовых генераторов света.

Оптический квантовый генератор или лазер получил свое название от первых букв Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, примененная в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн) и лазерах принадлежит российским ученым Басову и Прохорову и американскому физику Таунсу, удостоенным Нобелевской премии 1964 г.

Лазер обязательно имеет три основных компонента:

1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсной населенностью;

2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде);

З) оптический резонатор (устройство, формирующее выходящий световой пучок).

Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды). Более точная классификация учитывает также и методы накачки — оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации — непрерывный или импульсный.

Первым твердотельным лазером (1960; США), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 694,3 нм), был рубиновый лазер. В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной в 1955 г. Басовым и Прохоровым.

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Al₂O_3, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Аl замещены трехвалентными ионами Cr⁺³. Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3.

Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше 10^-7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3 → 1 (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина.

Переход 2 → I запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка 10^-3 с, т. е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к накоплению атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в принципе может инициировать (порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2 → 1, в результате чего появляется лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом, зарождается лазерная генерация. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Следовательно, излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими когерентными свойствами.

Для выделения направления лазерной генерации используется — оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Как правило, зеркала изготовляют так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе - полупрозрачно. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направленное вдоль оси лазерное излучение с высокими когерентными свойствами.

Первым газовым лазером непрерывного действия (1961) был лазер на смеси атомов неона и гелия. В гелий-неоновом лазере накачка происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а неон дает лазерное излучение. Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят в возбужденное состояние. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение, и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня З на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с длиной волны 632,8 нм.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность.

2. Строгая монохроматичность (Δλ <10^-11 м).

3. Большая плотность потока энергии. 4. Очень малое угловое расхождение в пучке.

К.п.д. лазеров колеблется в широких пределах — от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров к.п.д. составляет 0,1—1%. Создан мощный С0₂- лазер непрерывного действия, к.п.д. которого 30%

Необычные свойства лазерного излучения находят в настоящее время широкое применение.