2. Принципы спонтанного равновесия

В статистической физике известен принцип детального равновесия, согласно которому при термодинамическом равновесии каждому процессу можно сопоставить обратный процесс, причем скорость их протекания одинакова.

Эйнштейн и Дирак показали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению: оно имеет такую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно. Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбуждённые атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы и число фотонов растёт лавинообразно.

Однако, наряду с вынужденным излучением возможен и обратный процесс – поглощение. Поэтому для усилия падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения превышало число актов поглощения фотонов. В системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т. е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться. Чтобы среда усиливала падающее на неё излучение, необходимо создать неравновесное (инверсное) состояние системы, при котором числ о атомов в возбуждённых состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии.

Такие состояния называются состоянием инверсной населённости. Процесс создания инверсной населённости называется накачкой. Накачку можно осуществлять оптическим, электрическим, электрическим и другими способами.

В средах в инверсном состоянии вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться (эти среды называются активными). В данном случае явление протекает так, как если бы в законе Бугера , коэффициент поглощения , зависящий в свою очередь от интенсивности излучения, стал отрицательным. Активные среды поэтому можно рассматривать в качестве сред с отрицательным коэффициентом поглощения. Открытое В. А. Фабрикантом, Н. Вудынским усиление света за счёт вынужденного излучения легло в основу квантовой электроники.

3. Принципы излучения действия лазера и особенности генерируемого им

Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, применяемого в мазерах (сантиметровый диапазон волн) и лазерах (видимая, инфракрасная и ближняя ультрафиолетовая области длин волн), принадлежит Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, удостоенных нобелевской премии в 1964 г.

Существуют лазеры: твёрдотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные – в зависимости от типа активной среды. По методу накачки: оптические, тепловые, химические, электро-ионизационные и другие. По типу генерации: непрерывные и импульсные.

Лазер обязательно имеет три основных компонента:

1) активную среду, в которой создаётся состояние с инверсной населённостью;

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

3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой поток).

Первым твёрдотельным лазером (1960 г. США), работающим в видимой области 0,694 мкм, был рубиновый лазер (т. Мейман). В нём инверсная населённость уровней осуществлялась по 3 - уровневой схеме, предложенной Басовым и Прохоровым. Кристалл рубина представлял собой оксид алюминия, в кристаллической решётке которого некоторые из атомов заменены трёхвалентными ионами (0,03 0,05% ионов хрома для розового и красного рубина). Для оптической накачки использовалась импульсная газоразрядная лампа.

При облучении рубина импульсной лампой атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровень 3 широкой полосы (рис.6.4). Т. к. время жизни на уровне 3 составляет 10^-7 с, то осуществляется либо спонтанные переходы 3-1 (они незначительны), либо наиболее вероятные безизлучательные на уровень 2 (они называются нестабильными) с передачей энергии решётке кристалла. Переход 2-1 запрещён правилом отбора, поэтому длительность пребывания на уровне 2 возбуждённых атомов порядка 10^-3 с. Это на 4 порядка больше, чем на уровне 3, что приводит к накоплению атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, что приведёт к инверсной населённости.

Каждый фотон может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2-1, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копией первичных. Таким образом, зарождается лазерная генерация.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. Им служит пара обращённых друг к другу параллельных или вогнутых зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда. Зеркала изготавливаются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе полупрозрачно.

Ф отоны, движущиеся под углом к оси кристалла, выходят из активной среды через боковые поверхности, а те, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от противоположных торцов. Т. к. вторичные фотоны движутся так же как и первичные, то поток фотонов будет лавинообразно расти. Многократно усиленный поток выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости (рис. 6.5).

П ервым газовым лазером импульсного действия (1961 г.) был лазер на смеси атомов неона и гелия (1:10). Газы обладают узкими линиями поглощения, поэтому использовать лампы накачки не выгодно, они излучают свет широкого диапазона. Поэтому в газовых лазерах инверсная заселенность уровней осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах.

В гелий-неоновом лазере накачка происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а лазерное излучение даёт неон.

Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят в возбуждённое состояние. При столкновении возбуждённых атомов гелия с атомами неона происходит возбуждение последних, и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия (рис. 6.6). Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из уровней нестабильного состояния, а затем на уровень 1 приводит к лазерному излучению.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность. Время когерентности составляет 10^-3 с, что соответствует длине когерентности 10⁵ м ( ), т. е. на семь порядков выше, чем для обычных источников.

2. Строгая монохроматичность:

.

3. Большая плотность потока энергии.

Если, например, рубиновый стержень при накачке получил W=20 Дж и высветился за 10^-3 с, то поток излучения Ф_е= . Фокусируя это излучение на площади 1мм², .

4. Очень малое угловое расхождение в пучке:

- на Луне даёт пятно диаметром 3 км (луч прожектора осветил бы поверхность диаметром 40000 км);

- КПД лазера колеблется в пределах от 0,01% (для гелий-неонового) до 75% (лазер на стекле с неодимом). Хотя у большинства КПД – 0,1–1%.

Литература

1, глава V, § 42  43.

2, глава 29, § 232  233.

3, глава 36, § 368  369.