Вынужденное излучение было положено в основу усилителей электромагнитного излучения. Советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, и независимо от них американец Ч. Таунсон, в 50-е годы XX века создали первый квантовый молекулярный усилитель микроволнового излучения мазер (maser – microwave amplification by stimulated emission of radiation). За свое изобретение эти ученые были удостоены Нобелевской премии. При обычных температурах большинство атомов будут находиться в основном состоянии, и поэтому вероятность поглощения будет гораздо выше вероятности вынужденного излучения. Следовательно, основной проблемой при получении усиления излучения является создание в системе инверсной заселенности. Создатели квантового усилителя догадались использовать в качестве активной среды молекулярные вещества, обладающие довольно сложной системой уровней.
Чуть позже Т. Мейманом был создан аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне – лазер (laser – light amplification by stimulated emission of radiation). Средой, где происходило усиление излучения, являлся рубин. Устройство представлено на рис. 9.3, оно содержит небольшой рубиновый стержень (длиной порядка 10 см и диаметром порядка 1 см), помещенный в газонаполненную спиральную импульсную лампу. Полированные торцы рубинового стержня перпендикулярны его оси. Рубин представляет собой прозрачный кристалл Al2O3, содержащий небольшое число (примерно 0.05%) атомов хрома.
Именно хром ответственен за красный цвет рубина, так как ионы хрома Сг3+ интенсивно поглощают излучение в синей и зеленой областях видимого спектра и хорошо отражают в красном диапазоне. При включении газовой импульсной лампы (заполненной ксеноном или парами ртути) возникает интенсивное световое излучение длительностью в несколько миллисекунд – это излучение называют излучением накачки.
Рис. 9.3. Устройство рубинового лазера
Переход с уровня Е1 непосредственно на уровень Е2 под действием излучения накачки не происходит, так как величина кванта hν не равна разнице энергий Е2 – Е1. Возбуждение уровня кристалла Е2, необходимое для дальнейшего излучения, происходит «обходным путем» через возбуждение ионов хрома. Ионы хрома поглощают излучение лампы и переходят на так называемые уровни накачки Е3, показанные на рис. 8.4. Затем возбужденные ионы хрома отдают свою энергию кристаллу Al2O3 за счет быстрых безызлучательных переходов. При этом электроны попадают на уровень (обозначенный Е2 на рис. 9.4), лежащий примерно на 1.8 эВ выше основного состояния.
Рис. 9.4. Энергетическая схема ионов хрома в кристалле рубина
При переходе системы в основное состояние произойдет спонтанный переход Е2 → Е1, в результате которого возникнет квант света. Если вспышка излучения лампы достаточно сильна, то в состояниях Е2 окажется больше атомов, чем в основном состоянии, что и означает возникновение инверсной заселенности. Тогда фотоны, появившиеся при спонтанном переходе Е2 → Е1, могут спровоцировать в кристалле вынужденное излучение, которое в свою очередь вызовет новые вынужденные переходы в других участках кристалла – количество фотонов, распространяющихся в кристалле будет лавинно расти.
Излучение описанного лазера имеет импульсный характер, т.е. после каждого импульса лампы, отвечающей за накачку, возникает вспышка лазерного излучения, состоящая из ряда импульсов, общая продолжительность которых равна нескольким микросекундам. Частота вспышек в импульсном режиме составляет несколько вспышек в минуту. Существуют лазеры, работающие в непрерывном режиме. По типу вещества активной среды лазеры делят на твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. В зависимости от метода создания инверсной заселенности различают лазеры с оптической, тепловой, химической, электроионизационной и др. накачкой.
В любом случае для лазера характерен узкий мощный пучок излучения. Физическая причина этого свойства заключается в особенности вынужденного излучения – каждый распространяющийся в активной среде фотон несколько раз «клонирует» сам себя в актах вынужденного излучения, т.е. приводит к появлению точно таких же фотонов (с такой же частотой, направлением распространения, поляризацией, фазой). Кроме того, устройство лазера имеет еще один нюанс – торцы рубинового стержня стачивают под прямым углом и покрывают серебром: с одной стороны слоем со 100% отражающей способностью, а с другой – пропускающей около 1%. Благодаря такой конструкции, которую называют оптическим резонатором, фотоны многократно проходят через активную среду, лавинно увеличивая свое число посредством вынужденного излучения. В итоге, когда число фотонов увеличится, выходной пучок будет представлять собой поток огромного числа одинаково направленных фотонов с высокой степенью монохроматичности. Диаметр пучка будет определяться в основном диаметром активной среды (т.е. диаметром рубинового стержня), а поскольку все фотоны распространяются параллельно друг другу, то расхождение пучка будет очень малым.
Итак, основными свойствами лазерного излучения является:
1) монохроматичность;
2) пространственная и временная когерентность;
3) малое расхождение пучка излучения;
4) большая мощность.
Особые свойства лазерного излучения определяют сферы его применения. Когерентность лазерного излучения позволила осуществить голографическую запись изображения. Узкая направленность и малое угловое расхождение лазерного пучка делают его уникальным хирургическим инструментом (например, для уничтожения раковых клеток или приваривания отслоившихся участков сетчатки глаза). Лазеры применяют на современных производствах для точной резки деталей любой сложности. Лазеры используют также в поисковых работах, требующих точного определения координат, при измерениях больших расстояний. Воспользовавшись зеркалом, установленным астронавтами на Луне, удалось определить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Лазерные пучки используются в работах по ядерному синтезу. Фокусируя пучок с высокой энергией на крошечной дейтерий-тритиевой таблетке, можно нагреть ее за очень короткое время до температур, необходимых для начала ядерного синтеза и выделения энергии (порядка 108 К).
Вариантов применения лазеров очень много, с каждым годом, одновременно с усовершенствованием устройства лазеров, возможности их использования расширяются. Помимо рубиновых лазеров, создано много других твердотельных лазеров с длиной волны излучения от 18 нм (мягкое рентгеновское излучение) до 3900 нм (инфракрасное излучение). Созданы лазеры непрерывного действия с мощностью генерации 1 кВт и выше, а импульсные лазеры излучают пучки наносекундной длительности и мощностью 109 Вт. Крошечные диодные или полупроводниковые лазеры способны развивать мощность около 200 мВт. Существуют лазеры, длина волны излучения которых может меняться (перестраиваться) в соответствии с практической необходимостью.
