Одним из самых замечательных достижений физики
второй половины двадцатого века было открытие физических явлений,послуживших
основой для создания удивительного прибора-оптического квантового
генератора,или лазера.
лазер
представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью
светового луча.Само слово “лазер” составлено из первых букв английского
словосочетания,означающего”усиление света в результате вынужденного
излучения”.
Действительно, основной физический процесс,
определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно
происходит при взаимодействиифотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с
энергией возбуждения атома (или молекулы)
В результате этого взаимодействия атом
переходит в невозбужденное состояние, а избытокэнергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией,
направлениемраспространенияи поляризацией,как и у первичногофотона.Такимобразом, следствием данного
процесса является наличие уже двух абсолютноидентичныхфотонов.Придальнейшем взаимодействии этих фотонов с
возбужденными атомами,аналогичнымипервомуатому, можетвозникнуть “цепная реакция” размножения
одинаковых фотонов,“летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет
к появлению
узконаправленного
светового луча.Для возникновениялавиныидентичныхфотонов необходима среда,вкоторойвозбужденныхатомов было бы
больше,чем невозбужденных, посколькупри
взаимодействии фотонов с невозбужденными атомамипроисходило бы поглощение фотонов.Такаясреда
Итак,кромевынужденногоиспусканияфотоноввозбужденнымиатомамипроисходяттакжепроцесссамопроизвольного, спонтанногоиспусканияфотоновпри переходе возбужденными атомами в
невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из
невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие
переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированыА. Эйнштейном
в 1916 г.
Если число возбужденных атомов велико и
существует инверсная выделенность
уровней
(в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше,чем в нижнем,
невозбужденном),
то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет
всенарастающую лавинупоявленияидентичных фотонов. Произойдет усиление
спонтанного излучения.
Навозможностьусилениясветавсреде с инверсной населенностью
за счетвынужденногоиспусканиявпервыеуказалв1939г. советский физик
В.А.Фабрикант,
предложивший создаватьинверснуюнаселенность вэлектрическом разряде в газе.
т.
е.направленноголуча свысокой монохроматичностью, необходимо“снимать” инверснуюнаселенность
с помощьюпервичныхфотонов,ужеобладающих одной итойжеэнергией,совпадающейсэнергиейданного
переходаватоме.Вэтом случаемы будемиметь лазерный усилитель
света.
Существует,однако,идругойвариантполучения лазерноголуча,связанныйсиспользованиемсистемы обратнойсвязи.Спонтанно родивши- есяфотоны,направлениераспространениякоторыхне перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие
за пределы среды.В тоже времяфотоны, направление распространениякоторых перпендикулярно плоскости зеркал, создадутлавины, многократно усиливающиесяв средевследствие многократного отражения от зеркал. Если одно иззеркал будетобладать небольшим пропусканием, то через
него будет выходить
направленныйпотокфотоновперпендикулярно
плоскостизеркал. Приправильно подобранном пропускании зеркал,
точной их настройке относительно
именноэтот типрезонатора
используютв большинстве существующих
лазеров.
В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г.Басовым и
А. М. ПрохоровымвСССРиЧ.Таунсом вСША былпредложен принцип
созданияпервого вмире генератора квантовэлектромагнитногоизлучениянасредесинверснойнаселенностью,вкоторомвынужденноеиспускание врезультате использованияобратной
связи приводилокгенерациичрезвычайномонохроматического
излучения.
Спустя несколько лет, в 1960 г.,американским физикомТ.Мейманом былзапущен первыйквантовый генератор оптического диапазона -
лазер, вкотором обратнаясвязьосуществляласьс помощьюописанного выше оптического резонатора, а
инверснаянаселенность возбуждаласьвкристаллахрубина,облучаемыхизлучениемксеноновойлампы-вспышки.Рубиновыйкристалл
представляетсобой кристаллоксида
алюминияАL2О3 с небольшойдобавкой=О,05%хрома.Придобавлении атомовхромапрозрачныекристаллырубинаприобретают розовый цвет и поглощаютизлучение вдвух полосахближнейультрафиолетовой областиспектра.
Всего кристалламирубинапоглощаетсяоколо15%света лампы-вспышки. Припоглощениисветаионамихрома происходитпереходионовввозбужденноесостояние В результате внутреннихпроцессов возбужденные ионыхрома
переходятв основноесостояние не сразу, а черездва возбужденныхуровня. Наэтих уровнях происходитнакоплениеионов,и придостаточно мощнойвспышкексеноновойлампывозникаетинверсная населенность между
промежуточнымиуровнями и основным
уровнем ионов хрома.
ионовхромаврубинепроисходитлавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов,и обратной связи
на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового
стержня,обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света.
Длительность лазерного импульса=
=0.0001
с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса
рубинового лазера около 1ДЖ.
С помощью механической системы (вращающееся
зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно “включить “
обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальнойинверсии населенностей и, следовательно,
максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного
излучения будет чрезвычайно велика и
инверсия
населенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время.
В этом режиме модулированной добротности
резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия
этого импульса останется прибли-
зитепьно
на том же уровне, что и в режиме “свободной генерации”, но вследствие
сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает
мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.
Рассмотрим некоторые уникальные свойства
лазерного излучения.
При спонтанном излучении атом излучает
спектральную линию конечной ширины При лавинообразном нарастании числа вынужденно
испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения
этой лавины будет возрастатьпрежде
всегов центре спектральнойлинииданногоатомногоперехода, и в результате этогопроцесса ширина спектральной линии
первоначальногоспонтанногоизлучениябудетуменьшаться. Напрактикев специальныхусловиях удается
сделать относительную ширину спектральнойлинии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем
ширина
самыхузкихлинийспонтанногоизлучения, наблюдаемых в природе.
Кромесужениялинииизлучениявлазереудается получить расходимость луча менее
0,00001 радиана, т.е. на уровне угловых
секунд.
Известно,чтонаправленныйузкийлучсвета можно получить в
принципе отлюбого источника,поставив на пути светового потока ряд экранов
смаленькими отверстиями,расположенныминаоднойпрямой. Представим себе,
что мы взяли нагретое черноетело ис помощью диафрагм получили луч света, из
которого посредством призмыилидругогоспектральногоприборавыделили
лучсширинойспектра,соответствующейширине спектра лазерногоизлучения. Знаямощность лазерного излучения, ширину егоспектра иугловую расходимость луча,можноспомощьюформулыПланкавычислить температурувоображаемого черноготела, использованного в качестве источ-
ника
световоголуча, зквивалентного лазерному
лучу. Этот расчет приведет нас к фантастическойцифре:температура черноготеладолжна быть порядка десятков
миллионовградусов! Удивительное
свойстволазерного луча- еговысокая эффективная температура (дажепри относительномалой средней
мощностилазерногоизлученияилималойэнергии лазерногоимпульса)открываетперед исследователями большиевозможности,абсолютнонеосуществимыебез использования лазера.
Лазерыразличаются:способомсозданиявсреде инверснойнаселенности,или, иначеговоря, способом
накачки(оптическаянакачка,возбуждениеэлектронным ударом,
химическая накачка и т. п.);рабочей
средой (газы,жидкости, стекла,кристаллы, полупроводники и.т.д.);
конструкциейрезонатора; режимом
работы(импульсный,непрерывный).Эти различия
определяютсямногообразиемтребованийкхарактеристикам лазера в связис егопрактическими применениями.