0. Отрицательное поглощение. Генераторы когерентного света

Под мазерами понимают генераторы и усилители в сантиметровом диапазоне радиоволн, лазерами называют генераторы и усилители света в видимой и ближней инфракрасной областях. Более правильно было бы эти устройства называть генераторами когерентного света (ГКС). Оба типа устройств работают на основе эффекта вынужденного (индуцированного) излучения. Эйнштейн показал, что вынужденное излучение должно быть по своим характеристикам совершенно тождественным тому излучению, которое, проходя через вещество, вызывает появление индуцированного излучения. Новый фотон, появившийся в результате того, что атом (или молекула) вещества переходит в низшее энергетическое состояние под действием света, имеет ту же энергию и летит строго в том же направлении, что и фотон, стимулировавший появление первого. На волновом языке эффект вынужденного излучения сводится к увеличению амплитуды проходящей волны без изменения ее частоты, направления распространения, фазы и поляризации. Другими словами, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

В 1939-40 гг. советский физик В.А. Фабрикант впервые обратил внимание на возможность получения среды с отрицательным коэффициентом поглощения . Им был предложен метод получения плазмы газового разряда с отрицательным коэффициентом поглощения. Существо метода состояло в том, чтобы с помощью специальных молекулярных примесей избирательно разрушать некоторые нижние энергетические уровни и таким образом осуществить более высокую заселенность атомами верхних энергетических уровней по сравнению с нижними.

Второй метод получения большей заселенности верхних энерге­тических уровней по сравнению с нижними заключается в при­менении вспомогательного излучения, которое создает избыточную, по сравнению с равновесной, концентрацию атомов (или других частиц) на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям.

В.А. Фабрикантом впервые были рассмотрены особенности среды с отрицательным коэффициентом поглощения, и было показано, что закон Бугера-Ламберта для случая сред с отрицательным поглощением имеет следующую форму:

(2.11)

Интенсивность J света, прошедшего слой х, оказывается при этом больше, чем первоначальная интенсивность J₀. В такой форме закон Бугера-Ламберта-Фабриканта описывает лавинообразное нарастание интенсивности света по мере его распространения в среде и составляет содержание принципа молекулярного усиления. В 1951 г. В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой этот принцип был сформулирован для широкого (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радио) диапазона длин волн.

На принципе молекулярного усиления в 1954 г. Н.Г. Басовым и А.И. Прохоровым в СССР и Ч.Таунсом, Дж. Гордоном, Г. Цайгером в США были созданы первые молекулярные генераторы и усилители в сантиметровом диапазоне радиоволн. В 1960 г. были построены первые генераторы когерентного света в видимой и ближней инфракрасной областях спектра (лазеры).

Один из первых генераторов когерентного света с твердым телом в качестве активной усиливающей среды был создан в 1960 г. Усиливающей средой являлся кристалл рубина, представляющий собой по химическому составу окись алюминия А1₂О₃ с примесью окиси хрома Сг₂О₃ в количестве от 0,03 до 0,05%. При этом в кристаллической решетке окиси алюминия определенная часть атомов А1 заменена ионами хрома Сг³⁺. Активным веществом, в котором осуществляются вынужденные переходы, являются в рубине ионы хрома Сг³⁺. Энергетическая схема уровней Сг³⁺ содержит ближай­шие к основному уровню две широкие энергетические полосы А и двойной метастабильный уровень В, переходы с которого на основной уровень С соответствуют длинам волн красного света 6927 А и 6943 А. (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6

При интенсивном облучении рубина зеленым светом мощной импульсной лампы, наполненной неоном и криптоном (лампы накачки), происходит переход ионов хрома на уровни широкой полосы, откуда наиболее вероятным является безызлучательный переход ионов на двойной уровень с передачей избытка энергии кристаллической решетке рубина. Таким образом, можно создать условия, при которых населенность ионами двойного уровня будет превышать населенность основного уровня, и получить оптический генератор на линиях 6927 и 6943 А. Широкая полоса поглощения для зеленых лучей, соответствующая широкой энергетической полосе А, позволяет ввести в рубин большую мощность возбуждения. Наряду с этим красные линии имеют небольшую ширину, что обеспе­чивает хорошие условия для их усиления. Малое ∆v соответствует большему коэффициенту поглощения .

В генераторе когерентного красного света на линии 6943 А был использован кубический кристалл рубина с навитой вокруг него по спирали импульсной лампой накачки. Лампа накачки излучала мощные импульсы света в тысячи киловатт длительностью около 1 мс с частотой повторения импульса 30 – 60 с, ограни­ченной нагревом лампы. В кристалле рубина создавался импульс красного когерентного излучения со спектральной шириной ∆λ в 1 А, угловым расхождением 0,01° и мгновенной мощностью по­рядка 10 кВт. Средняя по времени мощность красного луча состав­ляла 20 Вт. В усовершенствованном рубиновом генераторе вместо рубинового кубика использовался рубиновый цилиндрик с зеркаль­ными основаниями. Это, как уже было отмечено выше, приводит к многократному отражению луча света от оснований кристалла и усилению мощности луча за счет удлинения его пути в среде с отрицательным поглощением.

Вслед за рубиновым генератором происходила интенсивная разработка генераторов видимого и инфракрасного излучения с кристаллами флуорита (фтористого кальция), содержащими примеси урана U³⁺ (длина волны генерации К = 2,46 мкм) или самария Sm²⁺ (λ = 7081 А). В этих системах удается снизить мощность возбуждения в 500-1000 раз по сравнению с рубином. Излучению 2,46 мкм соответствует переход ионов U³⁺ c метастабильного уровня на расположенный ниже промежуточный уровень. При сильном охлаждении этот промежуточный уровень имеет в 10¹⁰ раз меньшую населенность, чем основной энергетический уровень, поэтому с помощью лампы накачки (с мощностью, в 500 раз меньшей, чем для рубинового генератора) может быть обеспечена нужная перенаселенность ионов на метастабильном уровне.

Недостатком генераторов с кристаллами является импульсный режим их работы. Применение в качестве усиливающей среды газовых смесей дает возможность построить генераторы непрерывного действия.

В генераторе инфракрасного излучения непрерывного действия усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном (давление Не 1 мм рт. ст., давление Ne 0,1 мм рт. ст.). За счет соударений с электронами атомы гелия переходят в возбужденное состояние. При столкновениях возбуждённых атомов гелия с атомами неона, последние также возбуждаются и переходят на один из четырех верхних уровней неона, близко расположенных к соответствующему уровню гелия. Переход атомов неона с этих уровней на один из нижних уровней (всего оказывается 10 промежуточных энергети­ческих уровней) сопровождается излучением в диапазоне от 0,9 до 1,7 мкм. Инфракрасный остронаправленный луч обладает при этом исключительной монохроматичностью (∆λ ~ 3•10^-7A). Эффект усиления света сопровождается всегда ростом его монохроматичности. Мощность в луче 0, 015 Вт.

Оптические генераторы обладают по сравнению с другими источниками света наименьшей шириной линий испускания (наибольшей спектральной плотностью излучения), так что эффективная температура их излучения достигает 10¹⁰—10¹² К (превышает эффективную температуру излучения Солнца в 10⁷—10⁸ раз).

В силу высокой когерентности и острой направленности излу­чения оптических генераторов они могут быть с большой эффективностью использованы для связи, локации, получения очень высоких температур в малых объемах и т. д. При ширине полосы излу­чения в 1 А на длине волны в 1 мкм теоретически можно осуществить передачу 10 000 радиопрограмм. С помощью современных моле­кулярных генераторов можно осуществить связь на расстояниях около 10 световых лет. Излучением оптических генераторов можно «пробивать» мельчайшие отверстия даже в самых твердых веществах (например, в алмазе), осуществлять сварку микродеталей.

Лучи лазеров нашли применение даже в хирургии – при лечении отслаивания сетчатки в человеческом глазе. Луч лазера как бы «приваривает» отслоившуюся сетчатку к тканям глазного дна.

И все же характеристики современных генераторов когерент­ного света пока еще очень далеки от принципиально возможных. В принципе возможно получение мощностей пучков, которым будут соответствовать световые давления порядка миллионов атмосфер. Все это создает необозримые перспективы для применения усилителей и генераторов когерентного света.